Глава 6 ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В РЕАЛЬНЫЙ МИР!
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ ВЫ СМОЖЕТЕ:
• Определить реальные ограничения проекта, которые могут не позволить микроконтроллерной системе правильно работать.
• Изложить правила обращения с устройствами на базе КМОП и разработать рекомендации.
• Определить источники и внутренних и внешних помех для микроконтроллерной системы.
• Перечислить основные организации, ответственные за обеспечение директив и руководств по электромагнитной совместимости (ЭМС).
• Рассказать о методах проектирования, позволяющих минимизировать чувствительность к помехам.
• Применить программные методы защиты, чтобы минимизировать чувствительность к помехам.
• Описать методы обнаружения помех.
• Применить методы управления питанием, позволяющие снизить мощность, потребляемую микроконтроллерной системой.
• Понять изменения, определяемые выбором батарейного источника питания для микропроцессорной системы.
• Определить основные свойства супервизоров для управления микропроцессорами.
• Определить и реализовать меры энергосбережения.
Что можно сказать обо всей этой главе? После того, как вы рассмотрели цели главы, вы могли бы подумать, что глава представляет собой совокупность собранных с бору по сосенке разделов, которые неудобно размещать в любой другой главе. Мы согласны с тем, что в главе рассматривается много различных тем; однако, все они связаны общей нитью. Если при разработке реальных устройств проигнорировать любую из рассматриваемых здесь проблем, система вообще не сможет функционировать. Хуже все то, это поведение схемы при этом может носить случайный, непредсказуемый, или невоспроизводимый характер. В этой главе мы имеем дело с реальными проблемами разработки, которые необходимо решать. Мы приводим всесторонний список исходных материалов для дальнейших разделов, в которых читатель может разыскать дополнительную информацию.
6.1. Ужасные истории об ошибках проектирования
Мы начнем с нескольких «ужасных историй» о проектах, которые работали неправильно. Обратите особое внимание на специфические причины этих сбоев. После этого мы покажем Вам некоторые методы, которые позволяют превратить хороший проект, созданный на бумаге, в нормально работающее практическое устройство.
6.1.1. Случай квадратичного генератора
Прежде, чем обсудить первый случай, приведем некоторую основную информацию о восстановлении сигнала. Полезная методика создания аналогового сигнала заданной формы, состоит в том, чтобы разделить сигнал на ряд аналоговых данных. Аналоговые значения в отдельных точках преобразуются затем в двоичные коды от $00 до $FF. При этом минимальный сигнал в 0 В соответствует числу $00, а максимальный сигнал, например, в 5 В соответствует числу $FF. Аналоговые данные, расположенные между этими двумя экстремальными значениями преобразуются по линейному закону в 8-разрядный двоичный код. Не правда ли эта методика что-то вам напоминает? Конечно, это процесс аналого-цифрового преобразования (АЦП), который мы уже обсуждали в главе 4.
Чтобы восстановить аналоговый сигнал, отдельные двоичные коды последовательно пересылаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Перед тем, как продолжить рассмотрение, проведем короткий обзор основных концепций для ЦАП.
Цифро-аналоговый преобразователь. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует входной многоразрядный двоичный код в соответствующий аналоговый выходной сигнал (см. рис. 6.1). Мы не будем обсуждать различные методы преобразования, применяемые в ЦАП. Мы просто представим ЦАП как «черный ящик» и опишем его функции с помощью блок-схемы. Аналоговый выходной сигнал создается суммированием взвешенных двоичных входных сигналов, как показано на рисунке.
Рис.6.1. Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует многоразрядный двоичный входной код в соответствующий аналоговый выходной сигнал. Аналоговый выходной сигнал создается суммированием взвешенных двоичных входных сигналов. Символ UMAX соответствует максимальному напряжению
Например, когда на входе ЦАП формируется код $CA, старший двоичный бит умножается на половину значения UMAX. Следующий по старшинству бит умножается на четвертую часть UMAX и так далее. Все взвешенные биты суммируются, давая в результате аналоговое значение.
Примем, что FS = VRH – VRL представляет собой максимальный размах напряжения для 8-разрядного 5-вольтового ЦАП. В этом случае высокий уровень опорными напряжениями составляет 5 В, а низкий — с 0 В. А как определить, например, аналоговое выходное напряжение соответствующее двоичному входному коду $CA?
Это напряжение можно определить, используя следующую взвешенную сумму для входного кода $CA:
UВЫХ = 5 [(1×1/2) + (1×1/4) + (0×1/8) + (0×1/16) + (1×1/32) + (0×1/64) + (1×1/128) + (0×1/256)] = 3,945 В
Аналоговый сигнал может быть затем создан путем цифровых данных на входах ЦАП, чтобы получить аналоговую реконструкцию. Методика восстановления аналогового сигнала из отдельных двоичных точек может использоваться при многих различных типах сигналов [Barrett 1979, Welch 1997].
Обсудим теперь сбой в разрабатываемом квадратичном генераторе. На рис. 6.2 показано, как эта методика может использоваться, чтобы генерировать сигналы, связанные квадратичной зависимостью (напряжения синусоидальной и косинусоидальной формы). Схема включает в себя программируемый кварцевый CMOS генератор PXO1000 фирмы Statek. Частота генератора устанавливается вручную с помощью DIP переключателей. Генератор является таймером для 8-разрядного двоичного счетчика на базе CMOS, который обеспечивает непрерывный счет от $00 до $FF. Выходной сигнал этого счетчика подается на две отдельных NMOS микросхемы памяти EPROM размером 2048 б, которые сохраняют данные для синусоидальной и косинусоидальной волны. Выходные сигналы с микросхем памяти подаются на отдельные 8-разрядные CMOS цифро-аналоговые преобразователи, которые опять преобразуют отдельные двоичные данные в аналоговый сигнал. Сигналы с ЦАП подаются на операционные усилители, которые осуществляют сдвиг нулевого уровня выходного сигнала ЦАП, и могут также обеспечить подстройку коэффициента усиления.
Рис. 6.2. Квадратичный генератор
На бумаге проект работает вполне правильно. Однако, когда схема была реализована, оказалось, что она является хорошим генератором помех. В чем была проблема? В первоначальном проекте отсутствовали резисторы сопротивлением 4.7 К в выходных цепях NMOS памяти. В главе 5 мы указали, что мы можем обычно напрямую связывать входы и выходы микросхем одного семейства. Однако, при соединении микросхем из различных семейств, мы должны быть очень осторожны. Обратите внимание, что в этом проекте, мы переходим от счетчика CMOS к памяти NMOS и затем обратно на ЦАП CMOS. Мы должны тщательно спроектировать интерфейс между CMOS и NMOS и затем интерфейс NMOS к CMOS. Чтобы эта схема правильно работала, должны быть включены нагрузочные резисторы в выводы NMOS. Это позволяет входам ЦАП на базе CMOS правильно распознавать состояния выходов NMOS. Нагрузочные резисторы показаны на рис. 6.2.
Из этого примера вы можете видеть важность тщательного выбора цепей связи между всеми компонентами внутри схемы. Особую осторожность следует проявлять при соединении микросхем из различных семейств.
6.1.2. Случай таймера для лазерного излучения
Рассмотрим теперь экспериментальную установку для научно-исследовательской работы, которая касалась методов задания времени облучения для записывающего лазера. В эксперименте, лазер управлялся ТТЛ-совместимым импульсом, формируемым ПК. При высоком значении импульса, лазерный затвор был открыт, при низком — закрыт. Цель экспериментов состояла в том, чтобы изучить влияние лазера на ткани глаза при глазной хирургии. В идеале, мы хотели бы привязать работу лазера к временной метке видеозаписи эксперимента. В коммерческом проекте задания времени было найдено и проверено оборудование, обеспечивающее оптимальную стоимость для малобюджетного проекта.
После рассмотрения имеющихся на рынке микросхем, были выбраны цифровые таймеры серии 74LSXX. Компоненты использовались, чтобы создать пятиразрядный счетчик, который управлял бы несколькими семисегментными дисплеями с помощью микросхем драйверов дисплея. Считывание с семисегментных дисплеев производилось оптически объективом фотокамеры, производящей запись эксперимента. Электроника счетчика/дисплея была установлена в пластмассовом корпусе, и окно было вырезано так, чтобы были видны показания дисплея, как это показано на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Дисковый прерыватель лазерного излучения поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча оптически съюстированы компанией
Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча были оптически съюстированы компанией. «Дисковый прерыватель» поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Без такой синхронизации, высокая интенсивность лазера выводила бы видеокамеру в область насыщения. Окна дискового прерывателя были расположены друг против друга, чтобы чередовать пропускание лазерного луча и подсветки для камеры. Скорость двигателя, вращающего диск прерывателя, была стабилизирована таким образом, чтобы момент появления окна, открывающего объектив камеры был синхронизован со скоростью передачи кадров камеры. Это было необходимо для создания устойчивого изображения.
В теории, открытое состояние лазерного затвора, определялось не только импульсом от ПК, но также и импульсом синхронизации. Таким образом, затвор открывался при появлении обоих сигналов на входах схемы И, и счетчик определял бы время открытия затвора.
Схема счетчик/дисплей работала очень хорошо в лаборатории фирмы-производителя. Однако, когда она была перенесена в лазерную лабораторию, в работе появились сбои. Подозрение пало на помехи, и мы стали кропотливо изолировать источники помех. Мы не делали никаких попыток стандартной защиты схемы счетчик/дисплей от помех, пока не столкнулись с этой проблемой. Было достаточно трудно ввести эту защиту после того, как схема была уже создана. Как вы думаете, что за проблема могла бы здесь быть? Какие корректирующие меры должны быть приняты?
Зная, что двигатели являются известным источником помех, мы подозревали, что источником помехи был двигатель дискового прерывателя. Часто микроконтроллеры используются, чтобы управлять двигателями. В главе 5, мы показали, как оптически изолировать схему управления от двигателя. Однако, в этом примере, схема счетчик/дисплей не имела никакого прямого подключения к электросети, питающей двигатель. Фактически, схема счетчик/дисплей и двигатель была включена от разных источников постоянного напряжения. Решение проблемы помех от этого типа двигателя была исследована более подробно. Мы использовали следующие методы, чтобы защитить схему счетчика/дисплея от помех, создаваемых двигателем:
• Сигнал управления с ПК на таймер был подан экранированным кабелем. Экран кабеля был заземлен. Кабель был проложен далеко от двигателя.
• Помехоподавляющие (шунтирующие) конденсаторы были установлены на каждой микросхеме между источником и землей в схеме счетчика/дисплея. Кроме этого, помехоподавляющие конденсаторы были установлены на шинах питания платы счетчика/дисплея.
• Пластмассовый корпус счетчика/дисплея был обмотан заземленной медной лентой. Медный экран был также установлен на окне корпуса дисплея. Он был также электрически связан с медной лентой. Экран и лента обеспечили защиту корпуса схемы счетчика/дисплея.
После применения этой защиты от помех, схема стала работать в соответствии с проектом, и эксперименты были без труда завершены.
Какой урок можно извлечь из этого проекта? Не был проведен полный анализ среды. А он должен выполняться как нечто само собой разумеющееся, когда устанавливаются исходные требования для проекта. Как нечто само собой разумеющееся, должна быть также включена в любой проект, выполняемый на интегральных микросхемах, и защита от помех. Имеются много стандартных методов снижения помех, и внутренних и внешних по отношению к схеме. В заключение, оказывается, что чрезвычайно дорого вводить защиту от помех после того, как изделие было отправлено заказчику. В вышеупомянутом сценарии, проблема возникла внезапно, во время сбора экспериментальных данных.
Мы провели изучение двух случаев, чтобы иллюстрировать следующие общие проблемы в микропроцессорных систем:
• Неподходящие методы связи микросхем;
• Проблемы помех, связанные с внешними и внутренними источниками;
• Проблемы помех, связанные с аналоговой электроникой.
Теперь, рассмотрев некоторые общие реальные проблемы, мы посвятим остальную часть главы описанию методов, которые действительно превращают проект на бумаге в проект, хорошо работающий на практике, позволяющий уйти от реальных ловушек.
Мы начнем с нескольких «ужасных историй» о проектах, которые работали неправильно. Обратите особое внимание на специфические причины этих сбоев. После этого мы покажем Вам некоторые методы, которые позволяют превратить хороший проект, созданный на бумаге, в нормально работающее практическое устройство.
6.1.1. Случай квадратичного генератора
Прежде, чем обсудить первый случай, приведем некоторую основную информацию о восстановлении сигнала. Полезная методика создания аналогового сигнала заданной формы, состоит в том, чтобы разделить сигнал на ряд аналоговых данных. Аналоговые значения в отдельных точках преобразуются затем в двоичные коды от $00 до $FF. При этом минимальный сигнал в 0 В соответствует числу $00, а максимальный сигнал, например, в 5 В соответствует числу $FF. Аналоговые данные, расположенные между этими двумя экстремальными значениями преобразуются по линейному закону в 8-разрядный двоичный код. Не правда ли эта методика что-то вам напоминает? Конечно, это процесс аналого-цифрового преобразования (АЦП), который мы уже обсуждали в главе 4.
Чтобы восстановить аналоговый сигнал, отдельные двоичные коды последовательно пересылаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Перед тем, как продолжить рассмотрение, проведем короткий обзор основных концепций для ЦАП.
Цифро-аналоговый преобразователь. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует входной многоразрядный двоичный код в соответствующий аналоговый выходной сигнал (см. рис. 6.1). Мы не будем обсуждать различные методы преобразования, применяемые в ЦАП. Мы просто представим ЦАП как «черный ящик» и опишем его функции с помощью блок-схемы. Аналоговый выходной сигнал создается суммированием взвешенных двоичных входных сигналов, как показано на рисунке.
Рис.6.1. Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует многоразрядный двоичный входной код в соответствующий аналоговый выходной сигнал. Аналоговый выходной сигнал создается суммированием взвешенных двоичных входных сигналов. Символ UMAX соответствует максимальному напряжению
Например, когда на входе ЦАП формируется код $CA, старший двоичный бит умножается на половину значения UMAX. Следующий по старшинству бит умножается на четвертую часть UMAX и так далее. Все взвешенные биты суммируются, давая в результате аналоговое значение.
Примем, что FS = VRH – VRL представляет собой максимальный размах напряжения для 8-разрядного 5-вольтового ЦАП. В этом случае высокий уровень опорными напряжениями составляет 5 В, а низкий — с 0 В. А как определить, например, аналоговое выходное напряжение соответствующее двоичному входному коду $CA?
Это напряжение можно определить, используя следующую взвешенную сумму для входного кода $CA:
UВЫХ = 5 [(1×1/2) + (1×1/4) + (0×1/8) + (0×1/16) + (1×1/32) + (0×1/64) + (1×1/128) + (0×1/256)] = 3,945 В
Аналоговый сигнал может быть затем создан путем цифровых данных на входах ЦАП, чтобы получить аналоговую реконструкцию. Методика восстановления аналогового сигнала из отдельных двоичных точек может использоваться при многих различных типах сигналов [Barrett 1979, Welch 1997].
Обсудим теперь сбой в разрабатываемом квадратичном генераторе. На рис. 6.2 показано, как эта методика может использоваться, чтобы генерировать сигналы, связанные квадратичной зависимостью (напряжения синусоидальной и косинусоидальной формы). Схема включает в себя программируемый кварцевый CMOS генератор PXO1000 фирмы Statek. Частота генератора устанавливается вручную с помощью DIP переключателей. Генератор является таймером для 8-разрядного двоичного счетчика на базе CMOS, который обеспечивает непрерывный счет от $00 до $FF. Выходной сигнал этого счетчика подается на две отдельных NMOS микросхемы памяти EPROM размером 2048 б, которые сохраняют данные для синусоидальной и косинусоидальной волны. Выходные сигналы с микросхем памяти подаются на отдельные 8-разрядные CMOS цифро-аналоговые преобразователи, которые опять преобразуют отдельные двоичные данные в аналоговый сигнал. Сигналы с ЦАП подаются на операционные усилители, которые осуществляют сдвиг нулевого уровня выходного сигнала ЦАП, и могут также обеспечить подстройку коэффициента усиления.
Рис. 6.2. Квадратичный генератор
На бумаге проект работает вполне правильно. Однако, когда схема была реализована, оказалось, что она является хорошим генератором помех. В чем была проблема? В первоначальном проекте отсутствовали резисторы сопротивлением 4.7 К в выходных цепях NMOS памяти. В главе 5 мы указали, что мы можем обычно напрямую связывать входы и выходы микросхем одного семейства. Однако, при соединении микросхем из различных семейств, мы должны быть очень осторожны. Обратите внимание, что в этом проекте, мы переходим от счетчика CMOS к памяти NMOS и затем обратно на ЦАП CMOS. Мы должны тщательно спроектировать интерфейс между CMOS и NMOS и затем интерфейс NMOS к CMOS. Чтобы эта схема правильно работала, должны быть включены нагрузочные резисторы в выводы NMOS. Это позволяет входам ЦАП на базе CMOS правильно распознавать состояния выходов NMOS. Нагрузочные резисторы показаны на рис. 6.2.
Из этого примера вы можете видеть важность тщательного выбора цепей связи между всеми компонентами внутри схемы. Особую осторожность следует проявлять при соединении микросхем из различных семейств.
6.1.2. Случай таймера для лазерного излучения
Рассмотрим теперь экспериментальную установку для научно-исследовательской работы, которая касалась методов задания времени облучения для записывающего лазера. В эксперименте, лазер управлялся ТТЛ-совместимым импульсом, формируемым ПК. При высоком значении импульса, лазерный затвор был открыт, при низком — закрыт. Цель экспериментов состояла в том, чтобы изучить влияние лазера на ткани глаза при глазной хирургии. В идеале, мы хотели бы привязать работу лазера к временной метке видеозаписи эксперимента. В коммерческом проекте задания времени было найдено и проверено оборудование, обеспечивающее оптимальную стоимость для малобюджетного проекта.
После рассмотрения имеющихся на рынке микросхем, были выбраны цифровые таймеры серии 74LSXX. Компоненты использовались, чтобы создать пятиразрядный счетчик, который управлял бы несколькими семисегментными дисплеями с помощью микросхем драйверов дисплея. Считывание с семисегментных дисплеев производилось оптически объективом фотокамеры, производящей запись эксперимента. Электроника счетчика/дисплея была установлена в пластмассовом корпусе, и окно было вырезано так, чтобы были видны показания дисплея, как это показано на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Дисковый прерыватель лазерного излучения поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча оптически съюстированы компанией
Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча были оптически съюстированы компанией. «Дисковый прерыватель» поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Без такой синхронизации, высокая интенсивность лазера выводила бы видеокамеру в область насыщения. Окна дискового прерывателя были расположены друг против друга, чтобы чередовать пропускание лазерного луча и подсветки для камеры. Скорость двигателя, вращающего диск прерывателя, была стабилизирована таким образом, чтобы момент появления окна, открывающего объектив камеры был синхронизован со скоростью передачи кадров камеры. Это было необходимо для создания устойчивого изображения.
В теории, открытое состояние лазерного затвора, определялось не только импульсом от ПК, но также и импульсом синхронизации. Таким образом, затвор открывался при появлении обоих сигналов на входах схемы И, и счетчик определял бы время открытия затвора.
Схема счетчик/дисплей работала очень хорошо в лаборатории фирмы-производителя. Однако, когда она была перенесена в лазерную лабораторию, в работе появились сбои. Подозрение пало на помехи, и мы стали кропотливо изолировать источники помех. Мы не делали никаких попыток стандартной защиты схемы счетчик/дисплей от помех, пока не столкнулись с этой проблемой. Было достаточно трудно ввести эту защиту после того, как схема была уже создана. Как вы думаете, что за проблема могла бы здесь быть? Какие корректирующие меры должны быть приняты?
Зная, что двигатели являются известным источником помех, мы подозревали, что источником помехи был двигатель дискового прерывателя. Часто микроконтроллеры используются, чтобы управлять двигателями. В главе 5, мы показали, как оптически изолировать схему управления от двигателя. Однако, в этом примере, схема счетчик/дисплей не имела никакого прямого подключения к электросети, питающей двигатель. Фактически, схема счетчик/дисплей и двигатель была включена от разных источников постоянного напряжения. Решение проблемы помех от этого типа двигателя была исследована более подробно. Мы использовали следующие методы, чтобы защитить схему счетчика/дисплея от помех, создаваемых двигателем:
• Сигнал управления с ПК на таймер был подан экранированным кабелем. Экран кабеля был заземлен. Кабель был проложен далеко от двигателя.
• Помехоподавляющие (шунтирующие) конденсаторы были установлены на каждой микросхеме между источником и землей в схеме счетчика/дисплея. Кроме этого, помехоподавляющие конденсаторы были установлены на шинах питания платы счетчика/дисплея.
• Пластмассовый корпус счетчика/дисплея был обмотан заземленной медной лентой. Медный экран был также установлен на окне корпуса дисплея. Он был также электрически связан с медной лентой. Экран и лента обеспечили защиту корпуса схемы счетчика/дисплея.
После применения этой защиты от помех, схема стала работать в соответствии с проектом, и эксперименты были без труда завершены.
Какой урок можно извлечь из этого проекта? Не был проведен полный анализ среды. А он должен выполняться как нечто само собой разумеющееся, когда устанавливаются исходные требования для проекта. Как нечто само собой разумеющееся, должна быть также включена в любой проект, выполняемый на интегральных микросхемах, и защита от помех. Имеются много стандартных методов снижения помех, и внутренних и внешних по отношению к схеме. В заключение, оказывается, что чрезвычайно дорого вводить защиту от помех после того, как изделие было отправлено заказчику. В вышеупомянутом сценарии, проблема возникла внезапно, во время сбора экспериментальных данных.
Мы провели изучение двух случаев, чтобы иллюстрировать следующие общие проблемы в микропроцессорных систем:
• Неподходящие методы связи микросхем;
• Проблемы помех, связанные с внешними и внутренними источниками;
• Проблемы помех, связанные с аналоговой электроникой.
Теперь, рассмотрев некоторые общие реальные проблемы, мы посвятим остальную часть главы описанию методов, которые действительно превращают проект на бумаге в проект, хорошо работающий на практике, позволяющий уйти от реальных ловушек.
6.2. Правила обращения с микросхемой 68НС12 и рекомендации по проектированию
Все справочные листы содержат значительный объем информации, которая зачастую игнорируется. И это, возможно, наиболее важная информация в данных, указывающая, как правильно обращаться с приборами на базе CMOS и рекомендации по проектированию устройств. Если вы разработчик, то вы не можете обычно участвовать в процессе изготовления. Но если вы студент старших курсов вуза, выпускающего разработчиков или вы связаны с изготовлением прототипов, вы должны запомнить эти рекомендации по установке.
6.2.1. Рекомендации по обращению со CMOS
Микросхемы CMOS семейства «HC» имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление. Это происходит из-за изолированного затвора на входах устройства. Эти затворы могут быть повреждены при неверной установке микросхем. Хотя затворы CMOS имеют встроенные схемы защиты, были разработаны общие процедуры установки CMOS, чтобы минимизировать возможность повреждения. Эти процедуры установки основаны на предотвращении приложения большого статического напряжения к выводам затворов. Вот краткий обзор этих правил обращения:
• Носить заземленную полоску на запястье во время как установки устройств CMOS. Эти полоски можно легко приобрести у ряда электронных компаний;
• Хранить устройства CMOS в оригинальных контейнерах до использования. Эти контейнеры были разработаны, чтобы предотвратить повреждения статическим электричеством;
• Использовать устройства CMOS на заземленном месте для размещения тестирующих элементов;
• Использовать при пайке только заземленные паяльники;
• Не вынимать, и не заменять устройства CMOS при включенной схеме;
Если эти правила обращения добросовестно исполняются, то схемы CMOS защищены от случайных повреждений. Кроме правил обращения, имеются также некоторые рекомендаций проектированию, которым необходимо следовать.
6.2.2. Рекомендации по проектированию на CMOS
Рассмотрим некоторые рекомендации, позволяющие обеспечить грамотное проектирование интегральных микросхем на базе CMOS.
• Часто при проектировании встроенной системы, имеются несколько неиспользуемых вводов процессора. Вы не можете игнорировать эти вводы. Они должны быть правильно подсоединены к питающему напряжению процессора через резистор (4,7 кОм) или заземлены. Далее в этой главе, мы рассмотрим проблемы, возникающие при неправильном подсоединении этих выводов.
• Встроенная система на базе CMOS часто монтируется на печатной монтажной плате (PCB), связанной с другими платами через соединители.
Когда внешние соединители PCB связаны непосредственно с входами или выходами устройства CMOS, должен использоваться добавочный резистор. Эти последовательно включенные резисторы минимизируют повреждения из-за статического электричества при стыковке и расстыковке соединителей PCB.
• Как мы видели в предыдущей главе, устройства CMOS должны использоваться только в границах нормированных электрических параметров. Если при разработке выйти за пределы этих спецификаций, схемы могут работать неправильно.
Вы, вероятно, чувствуете себя теперь достаточно подготовленными. Вы понимаете и можете применять методы проектирования CMOS, и знакомы с концепциями связи с помощью интерфейса из предыдущей главы. Однако вы можете следовать всем этим правильным рекомендациям, и, тем не менее, ваша система все-таки будет работать неправильно. Это приводит нас к следующему разделу, посвященному помехам системы и способам предотвращения и снижения их влияния.
Все справочные листы содержат значительный объем информации, которая зачастую игнорируется. И это, возможно, наиболее важная информация в данных, указывающая, как правильно обращаться с приборами на базе CMOS и рекомендации по проектированию устройств. Если вы разработчик, то вы не можете обычно участвовать в процессе изготовления. Но если вы студент старших курсов вуза, выпускающего разработчиков или вы связаны с изготовлением прототипов, вы должны запомнить эти рекомендации по установке.
6.2.1. Рекомендации по обращению со CMOS
Микросхемы CMOS семейства «HC» имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление. Это происходит из-за изолированного затвора на входах устройства. Эти затворы могут быть повреждены при неверной установке микросхем. Хотя затворы CMOS имеют встроенные схемы защиты, были разработаны общие процедуры установки CMOS, чтобы минимизировать возможность повреждения. Эти процедуры установки основаны на предотвращении приложения большого статического напряжения к выводам затворов. Вот краткий обзор этих правил обращения:
• Носить заземленную полоску на запястье во время как установки устройств CMOS. Эти полоски можно легко приобрести у ряда электронных компаний;
• Хранить устройства CMOS в оригинальных контейнерах до использования. Эти контейнеры были разработаны, чтобы предотвратить повреждения статическим электричеством;
• Использовать устройства CMOS на заземленном месте для размещения тестирующих элементов;
• Использовать при пайке только заземленные паяльники;
• Не вынимать, и не заменять устройства CMOS при включенной схеме;
Если эти правила обращения добросовестно исполняются, то схемы CMOS защищены от случайных повреждений. Кроме правил обращения, имеются также некоторые рекомендаций проектированию, которым необходимо следовать.
6.2.2. Рекомендации по проектированию на CMOS
Рассмотрим некоторые рекомендации, позволяющие обеспечить грамотное проектирование интегральных микросхем на базе CMOS.
• Часто при проектировании встроенной системы, имеются несколько неиспользуемых вводов процессора. Вы не можете игнорировать эти вводы. Они должны быть правильно подсоединены к питающему напряжению процессора через резистор (4,7 кОм) или заземлены. Далее в этой главе, мы рассмотрим проблемы, возникающие при неправильном подсоединении этих выводов.
• Встроенная система на базе CMOS часто монтируется на печатной монтажной плате (PCB), связанной с другими платами через соединители.
Когда внешние соединители PCB связаны непосредственно с входами или выходами устройства CMOS, должен использоваться добавочный резистор. Эти последовательно включенные резисторы минимизируют повреждения из-за статического электричества при стыковке и расстыковке соединителей PCB.
• Как мы видели в предыдущей главе, устройства CMOS должны использоваться только в границах нормированных электрических параметров. Если при разработке выйти за пределы этих спецификаций, схемы могут работать неправильно.
Вы, вероятно, чувствуете себя теперь достаточно подготовленными. Вы понимаете и можете применять методы проектирования CMOS, и знакомы с концепциями связи с помощью интерфейса из предыдущей главы. Однако вы можете следовать всем этим правильным рекомендациям, и, тем не менее, ваша система все-таки будет работать неправильно. Это приводит нас к следующему разделу, посвященному помехам системы и способам предотвращения и снижения их влияния.
6.3. Исследование помех
В этом разделе мы тщательно исследуем Немезиду проектировщика — помехи! Мы ответим на следующие вопросы: Что представляют собой помехи? Что является их источником? Какими удачными действиями при проектировании можно минимизировать чувствительность к помехам?
6.3.1. Что такое помехи
В самом простом смысле, помехой является любой нежелательный сигнал, не принадлежащий системе. Источники этих нежелательных сигналов могут быть внешними или внутренними по отношению к системе. Например, таймер на базе кристалла, необходим для системы процессора. Однако, когда сигнал таймера обнаруживается в других частях системы, где его не должно быть, он рассматривается как помеха. В любой схеме необходимо знать источник помех , потому что это знание поможет вам определить наилучший способ избавиться от них. На рис. 6.4 приведен краткий обзор источников помех.
Рис. 6.4. Источники помех
• Разряд электростатического электричества (ESD): ESD может в основном быть определено как статическое электричество. Как уже упомянуто, в устройствах CMOS при воздействии статического электричества может быть поврежден затвор. Статическое электричество проявляется, когда два объекта с зарядами различных знаков входят в соприкосновение.
• Высокочастотные помехи (RFI): Эти помехи вызваны излучаемой энергией и могут быть созданы радио, сотовыми телефонами и т.д. Хотя они могли бы исходить от источника полезного сигнала, но если этот сигнал нежелателен для нашей системы, он все равно должен рассматриваться как помеха. Один из авторов описывает время, когда он жил в Омахе, штат Небраска, в течение ряда лет: «Мы использовали, чтобы получить некоторые довольно сильные «микрофоны грома» — ливни со значительным громом и молнией. Мы могли бы также сообщать, когда такой шторм приходил близко, потому что разряды молнии заставляли звонить наш дверной звонок. Первый раз, когда это случалось, мы были очень удивлены, «кто звонит в дверной звонок в 2 часа ночи в разгар такого большого ливня?». Однажды я выяснил, что это радиопомехи, созданные молнией, наводили напряжение в нашей схеме дверного звонка, и я использовал его как сигнал о приближении штормов. Кроме внешних помех, обратите внимание, что сам микроконтроллер может быть непосредственным источником помех. Частота таймера в процессоре 68HC12 составляет 8 МГц. Гармонический анализ тактовых импульсов показывает, что значительные гармоники существуют на десятой гармонике при частоте 80 МГц! Если печатная монтажная плата разработана неправильно, и не может минимизировать влияние радиопомех, эти частоты могут излучаться и восприниматься как помехи.
• Электромагнитные интерференционные (EMI); имеются две категории EMI: излучения и проводимости. Оба вида помех, вызываются электромеханическим оборудованием типа двигателей. В излучаемых EMI, источник помех — не обязательно в контакте с системой. Фактически, этот тип EMI часто классифицируется как радиопомехи. В EMI типа проводимости, помехи вызываются в проводнике, когда проводник проходит через электромагнитный поток, созданный источником помехи. Вспомним, что по закону Фарадея, напряжение вызывается в проводнике, когда он пересекает линии магнитного потока. Вы, вероятно, наблюдали эти явления при использовании электрической бритвы, мощной дрели или миксера. Если вы смотрите телевидение без кабеля связи, и один из этих приборов используется соседями, вы часто наблюдаете помехи на экране вашего телевизора.
• Просадки напряжения: просадки напряжения или «кратковременные провалы напряжения питания» вызваны уменьшением напряжения в сетях переменного тока. Они происходят, когда большая нагрузка подключается к сети переменного тока. Представьте себе жаркий, влажный день. Весь длинный день вы провели на работе, и ваша первая реакция, когда вы добираетесь до своего дома, включить воздушный кондиционер, чтобы охладить свое жилище. Если много людей делают это одновременно, это создает огромные перегрузки в сети, и может сопровождаться кратковременным провалом сетевого напряжения. Кратковременные провалы напряжения питания могут наносить ущерб незащищенным системам. Не забудьте, что устройства CMOS имеют очень специфические рабочие границы. Питающее напряжение определено в 5.0 В ± 10%. Кратковременный провал напряжения питания может заставить питающее напряжение выйти за границы этого допуска. Когда это происходит, уровни логического нуля и единицы не выдерживаются. Защита от посадок напряжения обеспечивается управляющими схемами, обсужденными в разделе 6.6.5 этой главы.
• Импульсные перенапряжения: Импульсные перенапряжения подобны просадкам напряжения; однако, они увеличивают питающее напряжение переменного тока. Волна импульсного перенапряжения может вызывать серьезное повреждение незащищенной системы. Защиту от перенапряжений можно обеспечить с помощью хорошего фильтра на удлинителе или на источнике питания.
6.3.2. Электромагнитная совместимость
Теперь, когда мы имеем хорошее определение того, что такое помеха, мы обнаруживаем, что обрели новую головную боль. Как проектировщики системы, мы должны защитить нашу встроенную микроконтроллерную систему от всех этих источников помех. Электромагнитная совместимость (ЭМС) — технический термин, относящийся к электромагнитному спектру. Если изделие испускает сигналы вне определенного спектрального диапазона, оно рассматривается как источник помех. Оно не должно генерировать сигналов, частота которых лежит вне допустимой области спектра. Кроме того, что касается излучения, мы также должны быть затронуть вопросы чувствительности готового изделия к описанным выше внешним источникам помех. Мы должны рассматривать ЭМС с точки зрения излучения или чувствительности. Можно увеличивать степень ЭМС, снижая уровень излучения источника помех или чувствительность приемника.
Основываясь на изложенном, нетрудно понять, что ЭМС — это серьезная проблема при разработке изделия. Поэтому имеется ряд национальных и международных агентств, которые обеспечивают руководства и правила, касающиеся ЭМС. Мы приведем краткий обзор этих агентств и разработанных ими правил далее в этой главе.
В следующем разделе, мы начинаем исследовать, как систематически обеспечивать защиту от помех, и внешних и внутренних относительно схемы. Эта информация была собрана из ряда публикаций о применениях, изготовителей и из уроков, полученных из инженерной практики. Полные ссылки на использованную литературу приводятся в разделе «Что еще прочитать» в конце главы.
6.3.3. Спецификации системы помех — не будем крепки задним умом!
Для начала, мы возможно должны пересмотреть наши представления о помехах. Как мы видели в примерах, обсужденных ранее в этой главе, очень трудно обеспечить общую защиту от помех на уже законченном изделии. Мы видели, что электромагнитную совместимость необходимо рассматривать на стадии разработки технических требований для каждой встроенной системы управления. При разработке спецификаций системы, должна быть выполнена полная опись ожидаемых эксплуатационных режимов. Затем должны быть разработаны спецификации, охватывающие эти ожидаемые эксплуатационные режимы.
6.3.4. Методы снижения помех
В этом разделе мы приводим перечень методов снижения помех. Этот перечень основан на работе, проведенной Гленевинкелем (М. Glenewinkel) [1995] и дополненный информацией из ряда применений, который заслуживает внимания практикующих инженеров. Некоторые из этих методов иллюстрируются на рис. 6.5.
a) Поверхностный монтаж компонентов
б) Подключение источника питания
в) Низкая частота тактирования, заземление корпуса кристалла
г) Подсоединение свободных выводов
д) Способы заземления
е) Защищенный от помех корпус с защитным заземлением и экранированный сигнальный кабель
ж) переключатель со схемой подавления дребезга контакта
з) Ввод сигнала
и) Разводка дорожек на плате
Рис. 6.5. Методы снижения помех
• Элементы для поверхностного монтажа: вообще менее восприимчивы к помехам, чем элементы с проводниками. Если вы недавно занимались созданием устройства на печатной плате, вы вероятно наблюдали, что компоненты для навесного монтажа стало труднее приобрести. Интегральные схемы, процессоры, резисторы, конденсаторы, и т.д. легче купить в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа.
• Снижение помех от источников питания: Источники питания могут быть и источниками помех. Встроенные процессоры могут генерировать выбросы мощности из-за проходящих в них переходных процессов. Такой выброс походит на импульс, а импульс имеет значительные высокочастотные составляющие в разложении Фурье. Если переходные процессы в источнике питания неправильно развязаны с встроенной системой, могут возникать проблемы ЭМС. Как нечто само собой разумеющееся, вы должны включить развязывающие конденсаторы, чтобы минимизировать эти переходные процессы. Обычно конденсатор емкостью 0,1 мкФ используется для частот до 15МГц. Эти конденсаторы должны быть аксиальными стеклянными, многослойными керамическими. Конденсаторы в 0.01 мкФ должны использоваться для действующих частот больших, чем 15МГц. Эти конденсаторы должны быть подключены между вводами источника питания и земли для каждого корпуса интегральной схемы (ИС). Конденсаторы должны быть помещены как можно ближе к каждой ИС. В дополнение к этим конденсаторам, конденсатор емкостью от 10 до 470 мкФ должен быть включен между шинами источника питания и земли в точке входа линии питания PCB.
Дополнительно, рекомендуется добавлять цепочку ферритовых ячеек между конденсатором и источником питания. Обратите внимание, что типичная микросхема микропроцессора может иметь несколько подводов источника питания. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) требует опорных напряжений (VRH и VRL). Оба эти напряжения также должны быть развязаны от переходных процессов.
• Синхронизация частоты: При проектировании встроенной системы управления должны использоваться наиболее низкочастотные таймеры, удовлетворяющие системным требованиям.
Таймеры являются известными источниками помех, если их неправильно экранировать; они генерируют значительные гармонические частоты, намного превышающие частоту тактирующего сигнала. В микроконтроллере 68HC12 используется кристалл на 16 МГц, чтобы генерировать базовую частоту в 8 МГц. Обратите внимание, что значительные гармоники могут существовать на частотах до 160 МГц. Обычно базовая частота синхронизации для процессора обеспечивается кристаллом. Кристалл должен быть помещен в центр печатной платы схемы и приклеен к ней. В дополнение, корпус кристалла должен быть заземлен.
• Выводы микросхем: известный источник помех получается при неправильном подключении цифровых и аналоговых выводов. В цифровой схеме, неподключенный ввод может приводить к автоматическому смещению транзистора в активную область. К тому же эти неподключенные вводы также действуют как миниатюрные приемные антенны для помех. Такие выводы должны быть или подключены к напряжению источника (VDD) через резистор в 4.7 кОм или к земле (VSS). Резисторы можно легко приобрести в корпусах с односторонними (SIP) или двусторонними выводами (DIP), чтобы легко подключить неиспользуемые выводы порта контроллера. Кроме вводов порта, выводы аппаратного прерывания должны также быть аналогично подключены, если они не используются. Иначе, могут быть инициализированы случайные прерывания. Кроме того, любые неиспользуемые затворы в интегральной цифровой схеме также должны быть подключены.
• Способы заземления: В любой встроенной системе управления, имеются множество точек схемы, требующих заземления. Считается, что «земля» — это эквипотенциальный проводник, напряжение на котором равно нулю.
Нетрудно представить себе проблемы, которые возникнут в схеме, если это не так. Следовательно, чрезвычайно важно гарантировать, что все эти различные точки схемы — действительно эквипотенциальны. Интуиция подсказывает нам, что проблему решает простое подключение всех заземляемых узлов на одну общую точку. Эта методика, которая названа заземлением в одной точке, хорошо работает при низких частотах. В качестве варианта можно предложить множество точек соединения к заземленной плоскости при высоких частотах. Реальным решением является совместное применение двух методов, называемых смешанным (гибридным) заземлением. Важно также отделить цифровые и аналоговые вводы, устройства ввода-вывода, и ключевые компоненты друг от друга на печатной плате. Комбинация методов заземления может затем использоваться для каждой подсистемы. Например, каждая подсистема может соединяться с заземлением источника питания в одной точке, а затем в подсистеме может использоваться комбинация многоточечных и смешанных заземлений.
• Защита от внешних помех: имеется ряд методов защиты встроенной системы управления от внешних помех. Как мы видели в примерах, рассмотренных ранее в настоящей главе, чтобы минимизировать чувствительность к внешним помехам может использоваться экранирование корпуса и кабелей с последующим заземлением этого экрана.
Для кабелей, проводящих низкочастотные сигналы, экран должен быть заземлен с одного конца. Для кабелей, проводящих высокочастотные сигналы, экран должен быть заземлен с обоих концов. Должен быть заземлен также корпус прибора. Тем самым контур, вызывающий помехи будет закорочен на землю.
• Бездребезговые ключи: В главе 5 мы обсуждали бездребезговые переключатели в качестве способа подключения. Их можно также рассматривать как метод снижения помех от переходных процессов. Мы говорили, что идеальный кнопочный переключатель обычно в нормальном состоянии имеет на своих контактах сигнал высокого логического уровня, который при нажатии превращается в сигнал низкого уровня. При переключении в реальных переключателях может возникать явление дребезга. То есть из-за неидеальных механических характеристик переключателя, переключатель производит несколько замыканий и размыканий контактов при переключении. Поскольку микросхема 68HC12 работает в мегагерцовом диапазоне, она обладает достаточным быстродействием, чтобы реагировать на дребезг переключателя как на ряд включений и выключений. Чтобы предотвратить эти явления, могут использоваться бездребезговые методы включения. Переключатели могут использовать противодребезговые аппаратные средства или программные методы. При программном обеспечении отсутствия дребезга, читается первый контакт переключателя, а затем вводится программное блокирование чтения сигнала на 100–200 мс.
В течение этой короткой задержки, дребезг не действует на микросхему. Эта методика подавления дребезга позволяет также уменьшить помехи от переходных процессов на вводах схемы. Аппаратные средства и программное обеспечение методов подавления дребезга были подробно обсуждены в разделе 5.5 главы 5.
• Создание условий на выводах: Входные и выходные сигналы платы должны быть защищены от помех. Чтобы предотвратить повреждение нагрузки статическим электричеством, необходимо включить дополнительный резистор последовательно с входным штырьком. Хорошим методом является также включение встроенного фильтра на входе. Это легко осуществить, пропустив входной провод через цепочку ферритовых ячеек, которая действует как фильтр для высокочастотных колебаний, возникающих при переключениях. Возможно вы считаете, что изготовить такие цепочки ячеек достаточно сложно. Однако на рынке имеются ферритовые «цепочки ячеек» в разнообразных конфигурациях, включая фильтры, которые могут быть закреплены на существующих ленточных кабелях или даже на одиночной линии. Имеются также ферритовые фильтры, которые могут быть установлены на печатной плате.
• Методы размещения монтажа на многослойной печатаной плате: Так как ваше изделие наиболее вероятно будет смонтировано на многослойной плате, важно понять, как расположить монтаж на плате, чтобы уменьшить помехи. Если используется многослойная плата, крайние слои, должны состоять из дорожек источника питания и земли. Дорожки, проводящие сигналы, должны быть проведены на промежуточных уровнях, расположенных между между уровнями источника питания и уровнем заземления. Линии сигнала на смежных уровнях должны быть направленный перпендикулярно друг к другу. Неиспользуемое пространство (промежутки) на печатной плате должно быть покрыты заземленной металлизацией. В дополнение к этим методам, дорожки, передающие сигналы таймеров должны быть сгруппированы вблизи друг от друга. Следует избегать резких поворотов дорожек (под углом в 90°). Вместо этого, необходимо использовать плавные изменения направления. Должны быть удалены короткие ответвления от основных дорожек платы.
Как мы упомянули ранее, все цепи цифровые, аналоговые, и т.д. должны быть отделены друг от друга. Кроме того, сигнальные дорожки должны быть расположены как можно дальше друг от друга, чтобы предотвратить возможную связь между параллельными дорожками.
В этом разделе мы тщательно исследуем Немезиду проектировщика — помехи! Мы ответим на следующие вопросы: Что представляют собой помехи? Что является их источником? Какими удачными действиями при проектировании можно минимизировать чувствительность к помехам?
6.3.1. Что такое помехи
В самом простом смысле, помехой является любой нежелательный сигнал, не принадлежащий системе. Источники этих нежелательных сигналов могут быть внешними или внутренними по отношению к системе. Например, таймер на базе кристалла, необходим для системы процессора. Однако, когда сигнал таймера обнаруживается в других частях системы, где его не должно быть, он рассматривается как помеха. В любой схеме необходимо знать источник помех , потому что это знание поможет вам определить наилучший способ избавиться от них. На рис. 6.4 приведен краткий обзор источников помех.
Рис. 6.4. Источники помех
• Разряд электростатического электричества (ESD): ESD может в основном быть определено как статическое электричество. Как уже упомянуто, в устройствах CMOS при воздействии статического электричества может быть поврежден затвор. Статическое электричество проявляется, когда два объекта с зарядами различных знаков входят в соприкосновение.
• Высокочастотные помехи (RFI): Эти помехи вызваны излучаемой энергией и могут быть созданы радио, сотовыми телефонами и т.д. Хотя они могли бы исходить от источника полезного сигнала, но если этот сигнал нежелателен для нашей системы, он все равно должен рассматриваться как помеха. Один из авторов описывает время, когда он жил в Омахе, штат Небраска, в течение ряда лет: «Мы использовали, чтобы получить некоторые довольно сильные «микрофоны грома» — ливни со значительным громом и молнией. Мы могли бы также сообщать, когда такой шторм приходил близко, потому что разряды молнии заставляли звонить наш дверной звонок. Первый раз, когда это случалось, мы были очень удивлены, «кто звонит в дверной звонок в 2 часа ночи в разгар такого большого ливня?». Однажды я выяснил, что это радиопомехи, созданные молнией, наводили напряжение в нашей схеме дверного звонка, и я использовал его как сигнал о приближении штормов. Кроме внешних помех, обратите внимание, что сам микроконтроллер может быть непосредственным источником помех. Частота таймера в процессоре 68HC12 составляет 8 МГц. Гармонический анализ тактовых импульсов показывает, что значительные гармоники существуют на десятой гармонике при частоте 80 МГц! Если печатная монтажная плата разработана неправильно, и не может минимизировать влияние радиопомех, эти частоты могут излучаться и восприниматься как помехи.
• Электромагнитные интерференционные (EMI); имеются две категории EMI: излучения и проводимости. Оба вида помех, вызываются электромеханическим оборудованием типа двигателей. В излучаемых EMI, источник помех — не обязательно в контакте с системой. Фактически, этот тип EMI часто классифицируется как радиопомехи. В EMI типа проводимости, помехи вызываются в проводнике, когда проводник проходит через электромагнитный поток, созданный источником помехи. Вспомним, что по закону Фарадея, напряжение вызывается в проводнике, когда он пересекает линии магнитного потока. Вы, вероятно, наблюдали эти явления при использовании электрической бритвы, мощной дрели или миксера. Если вы смотрите телевидение без кабеля связи, и один из этих приборов используется соседями, вы часто наблюдаете помехи на экране вашего телевизора.
• Просадки напряжения: просадки напряжения или «кратковременные провалы напряжения питания» вызваны уменьшением напряжения в сетях переменного тока. Они происходят, когда большая нагрузка подключается к сети переменного тока. Представьте себе жаркий, влажный день. Весь длинный день вы провели на работе, и ваша первая реакция, когда вы добираетесь до своего дома, включить воздушный кондиционер, чтобы охладить свое жилище. Если много людей делают это одновременно, это создает огромные перегрузки в сети, и может сопровождаться кратковременным провалом сетевого напряжения. Кратковременные провалы напряжения питания могут наносить ущерб незащищенным системам. Не забудьте, что устройства CMOS имеют очень специфические рабочие границы. Питающее напряжение определено в 5.0 В ± 10%. Кратковременный провал напряжения питания может заставить питающее напряжение выйти за границы этого допуска. Когда это происходит, уровни логического нуля и единицы не выдерживаются. Защита от посадок напряжения обеспечивается управляющими схемами, обсужденными в разделе 6.6.5 этой главы.
• Импульсные перенапряжения: Импульсные перенапряжения подобны просадкам напряжения; однако, они увеличивают питающее напряжение переменного тока. Волна импульсного перенапряжения может вызывать серьезное повреждение незащищенной системы. Защиту от перенапряжений можно обеспечить с помощью хорошего фильтра на удлинителе или на источнике питания.
6.3.2. Электромагнитная совместимость
Теперь, когда мы имеем хорошее определение того, что такое помеха, мы обнаруживаем, что обрели новую головную боль. Как проектировщики системы, мы должны защитить нашу встроенную микроконтроллерную систему от всех этих источников помех. Электромагнитная совместимость (ЭМС) — технический термин, относящийся к электромагнитному спектру. Если изделие испускает сигналы вне определенного спектрального диапазона, оно рассматривается как источник помех. Оно не должно генерировать сигналов, частота которых лежит вне допустимой области спектра. Кроме того, что касается излучения, мы также должны быть затронуть вопросы чувствительности готового изделия к описанным выше внешним источникам помех. Мы должны рассматривать ЭМС с точки зрения излучения или чувствительности. Можно увеличивать степень ЭМС, снижая уровень излучения источника помех или чувствительность приемника.
Основываясь на изложенном, нетрудно понять, что ЭМС — это серьезная проблема при разработке изделия. Поэтому имеется ряд национальных и международных агентств, которые обеспечивают руководства и правила, касающиеся ЭМС. Мы приведем краткий обзор этих агентств и разработанных ими правил далее в этой главе.
В следующем разделе, мы начинаем исследовать, как систематически обеспечивать защиту от помех, и внешних и внутренних относительно схемы. Эта информация была собрана из ряда публикаций о применениях, изготовителей и из уроков, полученных из инженерной практики. Полные ссылки на использованную литературу приводятся в разделе «Что еще прочитать» в конце главы.
6.3.3. Спецификации системы помех — не будем крепки задним умом!
Для начала, мы возможно должны пересмотреть наши представления о помехах. Как мы видели в примерах, обсужденных ранее в этой главе, очень трудно обеспечить общую защиту от помех на уже законченном изделии. Мы видели, что электромагнитную совместимость необходимо рассматривать на стадии разработки технических требований для каждой встроенной системы управления. При разработке спецификаций системы, должна быть выполнена полная опись ожидаемых эксплуатационных режимов. Затем должны быть разработаны спецификации, охватывающие эти ожидаемые эксплуатационные режимы.
6.3.4. Методы снижения помех
В этом разделе мы приводим перечень методов снижения помех. Этот перечень основан на работе, проведенной Гленевинкелем (М. Glenewinkel) [1995] и дополненный информацией из ряда применений, который заслуживает внимания практикующих инженеров. Некоторые из этих методов иллюстрируются на рис. 6.5.
a) Поверхностный монтаж компонентов
б) Подключение источника питания
в) Низкая частота тактирования, заземление корпуса кристалла
г) Подсоединение свободных выводов
д) Способы заземления
е) Защищенный от помех корпус с защитным заземлением и экранированный сигнальный кабель
ж) переключатель со схемой подавления дребезга контакта
з) Ввод сигнала
и) Разводка дорожек на плате
Рис. 6.5. Методы снижения помех
• Элементы для поверхностного монтажа: вообще менее восприимчивы к помехам, чем элементы с проводниками. Если вы недавно занимались созданием устройства на печатной плате, вы вероятно наблюдали, что компоненты для навесного монтажа стало труднее приобрести. Интегральные схемы, процессоры, резисторы, конденсаторы, и т.д. легче купить в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа.
• Снижение помех от источников питания: Источники питания могут быть и источниками помех. Встроенные процессоры могут генерировать выбросы мощности из-за проходящих в них переходных процессов. Такой выброс походит на импульс, а импульс имеет значительные высокочастотные составляющие в разложении Фурье. Если переходные процессы в источнике питания неправильно развязаны с встроенной системой, могут возникать проблемы ЭМС. Как нечто само собой разумеющееся, вы должны включить развязывающие конденсаторы, чтобы минимизировать эти переходные процессы. Обычно конденсатор емкостью 0,1 мкФ используется для частот до 15МГц. Эти конденсаторы должны быть аксиальными стеклянными, многослойными керамическими. Конденсаторы в 0.01 мкФ должны использоваться для действующих частот больших, чем 15МГц. Эти конденсаторы должны быть подключены между вводами источника питания и земли для каждого корпуса интегральной схемы (ИС). Конденсаторы должны быть помещены как можно ближе к каждой ИС. В дополнение к этим конденсаторам, конденсатор емкостью от 10 до 470 мкФ должен быть включен между шинами источника питания и земли в точке входа линии питания PCB.
Дополнительно, рекомендуется добавлять цепочку ферритовых ячеек между конденсатором и источником питания. Обратите внимание, что типичная микросхема микропроцессора может иметь несколько подводов источника питания. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) требует опорных напряжений (VRH и VRL). Оба эти напряжения также должны быть развязаны от переходных процессов.
• Синхронизация частоты: При проектировании встроенной системы управления должны использоваться наиболее низкочастотные таймеры, удовлетворяющие системным требованиям.
Таймеры являются известными источниками помех, если их неправильно экранировать; они генерируют значительные гармонические частоты, намного превышающие частоту тактирующего сигнала. В микроконтроллере 68HC12 используется кристалл на 16 МГц, чтобы генерировать базовую частоту в 8 МГц. Обратите внимание, что значительные гармоники могут существовать на частотах до 160 МГц. Обычно базовая частота синхронизации для процессора обеспечивается кристаллом. Кристалл должен быть помещен в центр печатной платы схемы и приклеен к ней. В дополнение, корпус кристалла должен быть заземлен.
• Выводы микросхем: известный источник помех получается при неправильном подключении цифровых и аналоговых выводов. В цифровой схеме, неподключенный ввод может приводить к автоматическому смещению транзистора в активную область. К тому же эти неподключенные вводы также действуют как миниатюрные приемные антенны для помех. Такие выводы должны быть или подключены к напряжению источника (VDD) через резистор в 4.7 кОм или к земле (VSS). Резисторы можно легко приобрести в корпусах с односторонними (SIP) или двусторонними выводами (DIP), чтобы легко подключить неиспользуемые выводы порта контроллера. Кроме вводов порта, выводы аппаратного прерывания должны также быть аналогично подключены, если они не используются. Иначе, могут быть инициализированы случайные прерывания. Кроме того, любые неиспользуемые затворы в интегральной цифровой схеме также должны быть подключены.
• Способы заземления: В любой встроенной системе управления, имеются множество точек схемы, требующих заземления. Считается, что «земля» — это эквипотенциальный проводник, напряжение на котором равно нулю.
Нетрудно представить себе проблемы, которые возникнут в схеме, если это не так. Следовательно, чрезвычайно важно гарантировать, что все эти различные точки схемы — действительно эквипотенциальны. Интуиция подсказывает нам, что проблему решает простое подключение всех заземляемых узлов на одну общую точку. Эта методика, которая названа заземлением в одной точке, хорошо работает при низких частотах. В качестве варианта можно предложить множество точек соединения к заземленной плоскости при высоких частотах. Реальным решением является совместное применение двух методов, называемых смешанным (гибридным) заземлением. Важно также отделить цифровые и аналоговые вводы, устройства ввода-вывода, и ключевые компоненты друг от друга на печатной плате. Комбинация методов заземления может затем использоваться для каждой подсистемы. Например, каждая подсистема может соединяться с заземлением источника питания в одной точке, а затем в подсистеме может использоваться комбинация многоточечных и смешанных заземлений.
• Защита от внешних помех: имеется ряд методов защиты встроенной системы управления от внешних помех. Как мы видели в примерах, рассмотренных ранее в настоящей главе, чтобы минимизировать чувствительность к внешним помехам может использоваться экранирование корпуса и кабелей с последующим заземлением этого экрана.
Для кабелей, проводящих низкочастотные сигналы, экран должен быть заземлен с одного конца. Для кабелей, проводящих высокочастотные сигналы, экран должен быть заземлен с обоих концов. Должен быть заземлен также корпус прибора. Тем самым контур, вызывающий помехи будет закорочен на землю.
• Бездребезговые ключи: В главе 5 мы обсуждали бездребезговые переключатели в качестве способа подключения. Их можно также рассматривать как метод снижения помех от переходных процессов. Мы говорили, что идеальный кнопочный переключатель обычно в нормальном состоянии имеет на своих контактах сигнал высокого логического уровня, который при нажатии превращается в сигнал низкого уровня. При переключении в реальных переключателях может возникать явление дребезга. То есть из-за неидеальных механических характеристик переключателя, переключатель производит несколько замыканий и размыканий контактов при переключении. Поскольку микросхема 68HC12 работает в мегагерцовом диапазоне, она обладает достаточным быстродействием, чтобы реагировать на дребезг переключателя как на ряд включений и выключений. Чтобы предотвратить эти явления, могут использоваться бездребезговые методы включения. Переключатели могут использовать противодребезговые аппаратные средства или программные методы. При программном обеспечении отсутствия дребезга, читается первый контакт переключателя, а затем вводится программное блокирование чтения сигнала на 100–200 мс.
В течение этой короткой задержки, дребезг не действует на микросхему. Эта методика подавления дребезга позволяет также уменьшить помехи от переходных процессов на вводах схемы. Аппаратные средства и программное обеспечение методов подавления дребезга были подробно обсуждены в разделе 5.5 главы 5.
• Создание условий на выводах: Входные и выходные сигналы платы должны быть защищены от помех. Чтобы предотвратить повреждение нагрузки статическим электричеством, необходимо включить дополнительный резистор последовательно с входным штырьком. Хорошим методом является также включение встроенного фильтра на входе. Это легко осуществить, пропустив входной провод через цепочку ферритовых ячеек, которая действует как фильтр для высокочастотных колебаний, возникающих при переключениях. Возможно вы считаете, что изготовить такие цепочки ячеек достаточно сложно. Однако на рынке имеются ферритовые «цепочки ячеек» в разнообразных конфигурациях, включая фильтры, которые могут быть закреплены на существующих ленточных кабелях или даже на одиночной линии. Имеются также ферритовые фильтры, которые могут быть установлены на печатной плате.
• Методы размещения монтажа на многослойной печатаной плате: Так как ваше изделие наиболее вероятно будет смонтировано на многослойной плате, важно понять, как расположить монтаж на плате, чтобы уменьшить помехи. Если используется многослойная плата, крайние слои, должны состоять из дорожек источника питания и земли. Дорожки, проводящие сигналы, должны быть проведены на промежуточных уровнях, расположенных между между уровнями источника питания и уровнем заземления. Линии сигнала на смежных уровнях должны быть направленный перпендикулярно друг к другу. Неиспользуемое пространство (промежутки) на печатной плате должно быть покрыты заземленной металлизацией. В дополнение к этим методам, дорожки, передающие сигналы таймеров должны быть сгруппированы вблизи друг от друга. Следует избегать резких поворотов дорожек (под углом в 90°). Вместо этого, необходимо использовать плавные изменения направления. Должны быть удалены короткие ответвления от основных дорожек платы.
Как мы упомянули ранее, все цепи цифровые, аналоговые, и т.д. должны быть отделены друг от друга. Кроме того, сигнальные дорожки должны быть расположены как можно дальше друг от друга, чтобы предотвратить возможную связь между параллельными дорожками.
6.4. Защитное программирование
В предыдущем разделе мы обсуждали метод «проб и ошибок» при проектировании, позволяющий снизить влияние помех. В этом разделе мы исследуем эффективные программные методы, чтобы снизить чувствительность к помехам. Эта информация адаптирована из статей по применению (Application Notes) фирмы Motorola/Freescale Semiconductor. Точная ссылка приведена в разделе «Что еще прочитать» в конце этой главы.
• Изменение назначения выводов порта: В многих применениях система микроконтроллера используется, чтобы принимать информацию с внешних вводов и затем генерировать соответствующие сигналы на выходе. При этом хорошей практикой, чтобы периодически изменять направление передачи данных в регистрах и выводах, связанных с этими портами.
• Опрос: В этой методике входной вывод опрашивается в течение некоторого периода времени, чтобы гарантировать, что зафиксирован входной сигнал, а не сигнал помехи. Ранее мы обсуждали противодребезговые методы переключения. Как было упомянуто, при одном из таких методов должен контролироваться входной сигнал, чтобы убедиться, что он не изменяется в заданном временном интервале.
• Эстафетная передача: Эта методика гарантирует, что ключевые части алгоритма выполняются в правильном порядке. Это осуществляется, путем расположения в памяти сайта эстафетной коллекции. Когда выполняется алгоритм, в сайт в порядке следования помещаются маркеры. После ввода каждого нового раздела программного обеспечения, исследуется эстафетный сайт коллекции, чтобы гарантировать, что предшествующие части программного обеспечения уже были выполнены в правильном порядке. Если какой-то маркер отсутствует, значит программное обеспечение достигло новой области неправильно. Допустим, например, что вы имеете восемь функций, вызываемых в определенной последовательности. Когда первая функция вызвана, маркер помещается на первое место в эстафетном сайте. Когда вызывается вторая функция, первый маркер проверяется, чтобы удостоверится, что он находится правильном на месте. Если это условие выполнено, помещается второй маркер, показывающий, что была инициализирована вторая функция. Эта процедура проводится для каждой последующей функции.
• Неиспользуемая память: микросхема B32 содержит 32 Кб флэш-памяти, для хранения программы. Было бы идеально записывать в эту память программы объемом точно в 32 Кб. Как эффективно использовать свободное пространство памяти? Хороший программный прием состоит в том, чтобы поместить несколько команд программного прерывания (SWI) на свободное пространство. Следовательно, если процессор неправильно закончит программу в этом пространстве, будет выдана команда программного прерывания. Это обеспечивает устранение сбоев в программе.
• Cторожевой таймер (COP — Computer operating properly): При работе встроенной микропроцессорной системы, необходимо, чтобы она продолжала функционировать правильно. В случае сбоя, процессор должен иметь возможность восстановиться. Одним из методов, который позволяет процессору выйти из режима «зависания» является введение в его состав сторожевого таймера COP. Этот таймер должен непрерывно сбрасываться при нормальном выполнении программы. Если счетчик сторожевого таймера COP переполняется, генерируется сброс COP. Чтобы сбросить таймер до переполнения на регистр сброса таймера COP (COPRST) должна быть послана последовательность команд $55 и $AA. Команды сброса могут быть посланы между командами для 68HC12 контроллера; однако, они должны посылаться через достаточно короткий интервал, чтобы предотвратить ожидание при нормальном выполнении программы. Несколько последовательностей команд $55 и $AA могут быть помещены в ключевые части программы. Если программа «зависает», COPRST не будет получать требуемую последовательность сбросов $55 и $AA. Тогда, контроллер получает команду сброса от таймера COP. Сброс может затем устранять дефект, который первоначально вызвал «зависание».
6.5. Методики испытаний на наличие помех
Даже если вы добросовестно применяете методы, описанные в предыдущих разделах, у вас нет никакой гарантии, что ваш прибор не будет восприимчив к помехам или не будет их излучать. До передачи прибора на полномасштабные испытания, было бы полезно проверить характеристики помех, с помощью некоторых дешевых методов тестирования. В следующих двух разделах мы обсуждаем такие методы проверки микроконтроллерной системы на создание помех и чувствительность к помехам. Эти методы созданы Gerry O. (он хочет остаться анонимным), который в течение более чем 35 лет разрабатывал электронные приборы, а теперь является президентом и главный разработчиком фирмы, занимающейся разработкой и изготовлением международных электронных проектов.
6.5.1. Обнаружение помех
Чтобы определять если прототип, встроенная система управления выделяет помех, следующая методика может использоваться: «Обычно я (Gerry O.) настраиваю телевизор на второй канал (не подключая антенну) чтобы видеть, присутствуют ли излучаемое высокочастотные помехи, передаваемые через излучение (RFI). Я настраиваюсь также на полосу AM радио (автомобильного приемника). AM радио обычно самый лучший тест для «помех» от источника питания. Телевизор самое лучшее для высокочастотного излучения. Обратите внимание, что звук телевизора обычно не реагирует на ВЧ излучение, поскольку передача звука идет на длинных волнах (диапазон FM) , а видеосигнал на коротких (диапазон AM). Так что, ищите помехи в изображении. Я где-то читал что, если вблизи проходит торнадо, изображение на втором канале исчезает из-за перегрузки автоматической схемы регулировки уровня (AGC). Некоторые компьютерные программы также наводят помехи на втором канале, если телевизор расположен слишком близко к компьютеру.
6.5.2. Испытание на чувствительность к помехам
Дешевый метод для испытания системы микроконтроллера на чувствительность к помехам состоит в том, чтобы использовать мощное размагничивающее устройство видеозаписи как показано на рис. 6.6. Цель испытания состояла в том, чтобы видеть, могло бы сильное переменное магнитное поле создавать сигналы в микропроцессоре или периферийных устройствах. Такие сигналы могли бы привести к сбоям в работе. Хотя таким способом невозможно смоделировать молнию или электромагнитные импульсы, это, тем не менее, хороший быстрый тест на чувствительность к помехам. Gerry указал, что несколько лет назад разряд молнии произошел вблизи от окна его офиса. Его компьютер был выключен, но все же несколько файлов в нем были уничтожены. Молния повредила также схему драйвера принтера на системной плате ПК ( на канале LPT1).
Рис. 6.6. Дешевый метод для обнаружения чувствительности к помехам и в схеме
Размагничивающее устройство видеозаписи обеспечивает дешевый источник для сильных переменных магнитных полей, чтобы проверить чувствительности микропроцессора к помехам
Доктор Джерри Хаманн (университет штата Вайоминг) предлагает другой метод испытания на чувствительность к помехам. Он предлагает поводить рукой над испытуемым прибором. Известно, что ваше тело коварный источник статического электричества. Когда вы поднесете руку вплотную к схеме, она должна продолжать стабильно работать.
Если при этом происходят изменения в работе схемы, вы должны проверить, правильно ли подключены свободные выводы микросхем.
Напомним, что эти проверки не могут заменить проверку на помехи с помощью комплекта испытательной аппаратуры. Однако, они обеспечивают быструю проверку прибора на электромагнитную совместимость.
6.5.3. Испытания на электромагнитную совместимость
До производства, разработанной встроенной системы на базе контроллера, изделие должно быть проверено на ЭМС. Правила и рекомендации по управлению этих испытаний разрабатываются Федеральной комиссией по связи (FCC) в Соединенных Штатах и в Европейском Экономическом Сообществе (ЕЭС). Кроме того, Управление продовольствия и медицинских препаратов (FDA) разрабатывает стандарты для медицинских устройств. Мы не собираемся подробно рассматривать здесь эти испытания. Правила постоянно совершенствуются (что совершенно правильно), и любая приведенная информация, быстро устарела бы. Вместо этого мы приводим краткий обзор имеющихся правил в ссылках на использованную литературу, которые приводятся в разделе «Что еще почитать» в конце главы, чтобы получить наиболее современную информацию.
Правила FCC и части 15 Правил для устройств высокой частоты формулируют правительственные правила и рекомендации для радио устройств (РФ), способных к излучению энергии в диапазоне от 9 кГц до 200 ГГц. FCC и часть 15 в настоящее время устанавливают три процедуры для проверки приборов на соответствие требованиям ЭМС:
• Проверка: изготовитель изделия регистрирует протокол испытаний на соответствие требованиям ЭМС.
• Сертификация: Комиссия FCC дает обзор применений ЭМС.
• Декларация соответствия: эти испытания выполняет лаборатория, уполномоченная Национальным Институтом Стандартов и Технологии (NIST).
Например, для ряда изготовителей испытания по ЭМС выполняет лаборатория Underwriters Laboratory (UL).
Международные стандарты, касающиеся ЭМС, разработаны прежде всего Международной Электротехнической Комиссией (МЭК, IEC). Стандарты, разработанные МЭК могут быть разбиты на следующие группы:
• Разряды электростатического электричества (публикация IEC 61000–4–2)
• Излучение электромагнитных полей высокой частоты (публикация IEC 610004–3)
• Электрические быстрые переходные процессы/пакет (публикация МЭК: IEC 61000–4–4)
• Электромагнитные импульсы (surges) (публикация МЭК: IEC 61000–4–5)
• Устойчивость к помехам, передаваемым за счет проводимости (публикация IEC 61000–4–6)
• Устойчивость к магнитным полям (публикация IEC 61000–4–9)
• Посадки напряжения, кратковременные прерывания и изменения напряжения (публикация IEC 61000–4–11)
Наиболее важный урок, следующий из нашего обсуждения, состоит в том, что требования к ЭМС должны быть частью технических требований на изделие, сформулированных до начала цикла проектирования.
В следующем разделе мы исследуем, как управлять энергопотреблением во встроенных системах.
Даже если вы добросовестно применяете методы, описанные в предыдущих разделах, у вас нет никакой гарантии, что ваш прибор не будет восприимчив к помехам или не будет их излучать. До передачи прибора на полномасштабные испытания, было бы полезно проверить характеристики помех, с помощью некоторых дешевых методов тестирования. В следующих двух разделах мы обсуждаем такие методы проверки микроконтроллерной системы на создание помех и чувствительность к помехам. Эти методы созданы Gerry O. (он хочет остаться анонимным), который в течение более чем 35 лет разрабатывал электронные приборы, а теперь является президентом и главный разработчиком фирмы, занимающейся разработкой и изготовлением международных электронных проектов.
6.5.1. Обнаружение помех
Чтобы определять если прототип, встроенная система управления выделяет помех, следующая методика может использоваться: «Обычно я (Gerry O.) настраиваю телевизор на второй канал (не подключая антенну) чтобы видеть, присутствуют ли излучаемое высокочастотные помехи, передаваемые через излучение (RFI). Я настраиваюсь также на полосу AM радио (автомобильного приемника). AM радио обычно самый лучший тест для «помех» от источника питания. Телевизор самое лучшее для высокочастотного излучения. Обратите внимание, что звук телевизора обычно не реагирует на ВЧ излучение, поскольку передача звука идет на длинных волнах (диапазон FM) , а видеосигнал на коротких (диапазон AM). Так что, ищите помехи в изображении. Я где-то читал что, если вблизи проходит торнадо, изображение на втором канале исчезает из-за перегрузки автоматической схемы регулировки уровня (AGC). Некоторые компьютерные программы также наводят помехи на втором канале, если телевизор расположен слишком близко к компьютеру.
6.5.2. Испытание на чувствительность к помехам
Дешевый метод для испытания системы микроконтроллера на чувствительность к помехам состоит в том, чтобы использовать мощное размагничивающее устройство видеозаписи как показано на рис. 6.6. Цель испытания состояла в том, чтобы видеть, могло бы сильное переменное магнитное поле создавать сигналы в микропроцессоре или периферийных устройствах. Такие сигналы могли бы привести к сбоям в работе. Хотя таким способом невозможно смоделировать молнию или электромагнитные импульсы, это, тем не менее, хороший быстрый тест на чувствительность к помехам. Gerry указал, что несколько лет назад разряд молнии произошел вблизи от окна его офиса. Его компьютер был выключен, но все же несколько файлов в нем были уничтожены. Молния повредила также схему драйвера принтера на системной плате ПК ( на канале LPT1).
Рис. 6.6. Дешевый метод для обнаружения чувствительности к помехам и в схеме
Размагничивающее устройство видеозаписи обеспечивает дешевый источник для сильных переменных магнитных полей, чтобы проверить чувствительности микропроцессора к помехам
Доктор Джерри Хаманн (университет штата Вайоминг) предлагает другой метод испытания на чувствительность к помехам. Он предлагает поводить рукой над испытуемым прибором. Известно, что ваше тело коварный источник статического электричества. Когда вы поднесете руку вплотную к схеме, она должна продолжать стабильно работать.
Если при этом происходят изменения в работе схемы, вы должны проверить, правильно ли подключены свободные выводы микросхем.
Напомним, что эти проверки не могут заменить проверку на помехи с помощью комплекта испытательной аппаратуры. Однако, они обеспечивают быструю проверку прибора на электромагнитную совместимость.
6.5.3. Испытания на электромагнитную совместимость
До производства, разработанной встроенной системы на базе контроллера, изделие должно быть проверено на ЭМС. Правила и рекомендации по управлению этих испытаний разрабатываются Федеральной комиссией по связи (FCC) в Соединенных Штатах и в Европейском Экономическом Сообществе (ЕЭС). Кроме того, Управление продовольствия и медицинских препаратов (FDA) разрабатывает стандарты для медицинских устройств. Мы не собираемся подробно рассматривать здесь эти испытания. Правила постоянно совершенствуются (что совершенно правильно), и любая приведенная информация, быстро устарела бы. Вместо этого мы приводим краткий обзор имеющихся правил в ссылках на использованную литературу, которые приводятся в разделе «Что еще почитать» в конце главы, чтобы получить наиболее современную информацию.
Правила FCC и части 15 Правил для устройств высокой частоты формулируют правительственные правила и рекомендации для радио устройств (РФ), способных к излучению энергии в диапазоне от 9 кГц до 200 ГГц. FCC и часть 15 в настоящее время устанавливают три процедуры для проверки приборов на соответствие требованиям ЭМС:
• Проверка: изготовитель изделия регистрирует протокол испытаний на соответствие требованиям ЭМС.
• Сертификация: Комиссия FCC дает обзор применений ЭМС.
• Декларация соответствия: эти испытания выполняет лаборатория, уполномоченная Национальным Институтом Стандартов и Технологии (NIST).
Например, для ряда изготовителей испытания по ЭМС выполняет лаборатория Underwriters Laboratory (UL).
Международные стандарты, касающиеся ЭМС, разработаны прежде всего Международной Электротехнической Комиссией (МЭК, IEC). Стандарты, разработанные МЭК могут быть разбиты на следующие группы:
• Разряды электростатического электричества (публикация IEC 61000–4–2)
• Излучение электромагнитных полей высокой частоты (публикация IEC 610004–3)
• Электрические быстрые переходные процессы/пакет (публикация МЭК: IEC 61000–4–4)
• Электромагнитные импульсы (surges) (публикация МЭК: IEC 61000–4–5)
• Устойчивость к помехам, передаваемым за счет проводимости (публикация IEC 61000–4–6)
• Устойчивость к магнитным полям (публикация IEC 61000–4–9)
• Посадки напряжения, кратковременные прерывания и изменения напряжения (публикация IEC 61000–4–11)
Наиболее важный урок, следующий из нашего обсуждения, состоит в том, что требования к ЭМС должны быть частью технических требований на изделие, сформулированных до начала цикла проектирования.
В следующем разделе мы исследуем, как управлять энергопотреблением во встроенных системах.
6.6. Управление энергопотреблением
Часто микроконтроллерные системы представляют собой переносные или дистанционно-управляемые модули. Обеспечение подходящего источника напряжения для системы становится главной задачей — задачей, которая может быть обоюдоострым мечом. С одной стороны, должна быть разработана подходящая система питания, чтобы обеспечить соответствующее напряжение и текущие требования для системы в течение приемлемого временного интервала. С другой стороны проектировщик должен уменьшить потребляемую мощность встроенной системы контроллера. Кроме того, система должна иметь защиту от понижения питающего напряжения. Вся эта совокупность требований рассматривается в данном разделе. Мы ограничиваем наше обсуждение системами с аккумуляторным питанием.
6.6.1. Параметры потребляемой мощности для микроконтроллера 68HC12
Чтобы разработать систему питания для встроенной микроконтроллерной системы, необходимо определить несколько параметров проекта:
• Напряжения питания, необходимые для встроенного контроллера, периферийных устройств, и всех компонентов системы;
• Токи утечки для каждого компонента системы;
• Ожидаемая период работы системы без замены или перезарядки батареи;
• Температура среды.
После определения параметры, можно приступить к проектированию подходящего батарейного источника питания. Для определения этих значений необходимо тщательно исследовать технические данные для каждого компонента системы. Все вычисления должны проводиться для наихудшего случая — другими словами, при наиболее критичных значениях токах утечки и рабочей температуры.
6.6.2. Типы батарей
После определения параметров системы можно начать выбор батареи. На рис. 6.7 и 6.8 представлен краткий обзор характеристик распространенных типов батарей. В обзоре приведены только типы батарей, напряжения и емкости. Полный обзор характеристик приводится в каталоге источников питания для электронных устройств. Такие каталоги обеспечивают хороший обзор для всего разнообразия батарей. Но сначала рассмотрим характеристики четырех основных типов батарей:
• Щелочные: Щелочные батареи относительно дешевы, имеют высокие емкости и большое число типоразмеров. Напряжение на зажимах батареи постепенно уменьшается по мере разрядки; емкость увеличивается при нагревании и значительно уменьшается в низких температурах. Большинство щелочных батарей не может перезаряжаться, но некоторые изготовители выпускают перезаряжающиеся варианты щелочных батареи.
• Кадмий-никелевая: напряжение на их зажимах при полной зарядке ниже чем напряжения щелочных элементов. Также обратите внимание, что емкость батареи этого типа также значительно меньше чем у щелочных батарей. Характеристика разрядки более пологая чем у щелочных батарей, как показано на рис.6.8.
• Никелевая металлогибридная: Никелевая металлогибридная (Ni-MH) батарея может перезаряжаться. Этот тип батареи обеспечивает умеренную емкость за умеренную стоимость.
• Литиевая: литиевая батарея имеет 3,6 В напряжение на зажимах и соответственно большую емкость. Батареи этого типа также имеет довольно пологую характеристику разряда. Однако это свойство сочетается с относительно высокой стоимостью по сравнению с батареями других типов.
Тип
Неперезаряж. щелочная
Перезаряж. Ni-Cd
Перезаряж. NI-металлогибридная
Неперезаряж. Li
Размер
Напряжение
Емкость
Напряжение
Емкость
Напряжение
Емкость
Напряжение
Емкость
D
1,5
15,000
1,2
1,200
1,2
8,000
3,6
16,500
С
1,5
7,000
1,2
1,200
1,2
4,500
3,6
7,200
АА
1,5
2,250
1,2
500
1,2
2,250
3,6
2,100
AAA
1,5
1,000
1,2
180
1,2
600
—
—
N
1,5
650
1,2
150
1,2
—
—
—
9 В транзистор
9,0
550
—
—
9,0
170
—
—
6 В фонарь
6,0
11,000
—
—
—
—
—
—
Рис. 6.7. Характеристика пропускной способности для различных типов батареи
Рис. 6.8. Характеристики разряда батареи
Это качественные характеристики. Детальные семейства характеристик с учетом раз рядного тока и температуры приводятся в литературе, предоставляемой изготовителями
6.6.3. Емкость батарей
Что точно представляет собой емкость батареи? Обратите внимание, что емкость измеряется в миллиампер-часах (мА-ч). Эта единица измерения сообщает всю историю. Если известен ток утечки батареи, может быть вычислен срок службы. Например, при напряжении 9 В, емкости 500 мА-ч и токе разряда 5 мА такая батарея должна обеспечивать питание в течение приблизительно 100 часов. Однако, емкость уменьшается при высоких токах разряда и низких рабочих температурах.
6.6.4. Стабилизация напряжения
Вспомним, что питающее напряжение (VDD) для микропроцессора 68HC12 имеет довольно малый допуск, электрические характеристики для контроллера, показывают, что питающее напряжение должно поддерживаться в диапазоне 5В±10%. Чтобы поддерживать это, относительно постоянное напряжение при изменении условий, используется схема стабилизатора. Типичная схема стабилизатора — супервизор микропроцессора, показанный на рис. 6.9.
Рис. 6.9. Цепи супервизора для микропроцессора
Стабилизирующее устройство состоит из микросхемы стабилизатора, оборудованного помехоподавляющими конденсаторами на входах и на выводах. Микросхема стабилизатора обычно представляет собой устройство с тремя выводами: вход (I), выход (O) и общим выводом (C). Эти стабилизирующие устройства определяются выходным напряжением и номинальным током. Хорошим практическим решением является выбор регулятора, номинальный ток которого по крайней мере вдвое превышает максимальную токовую нагрузку. Полная линейка стабилизаторов представлена серией 78XX. Под обозначением XX здесь подразумевается номинальное значение выходного напряжения.
Например, на рис. 6.9 мы использовали микросхему стабилизатора 7805 (+5 В). В серию стабилизаторов 7805 входят приборы для широкого ряда номинальных токов. Стабилизаторы серии 79XX представляют собой ряд стабилизаторов отрицательных напряжений.
На входе и выходе используются сдвоенные конденсаторы: конденсаторы емкостью 0,1 мкФ для подавления высокочастотные помех и фильтровые конденсаторы с емкостью в диапазоне от 100 до 470 мкФ, для снижения выходных пульсаций.
Входное напряжение на схему стабилизатора можно подавать от источника постоянного напряжения или от батареи подходящего типа. При любом из этих вариантов, входное напряжение для стабилизатора должно обычно быть по крайней мере на 3 В больше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.
В случае сбоя питания или разряда батареи, процессор необходимо перевести на резервное питание. Это легко сделать, используя схему управления микропроцессором.
6.6.5. Схемы супервизора для микропроцессора
Имеется много различных схем управления микропроцессором, производимых несколькими изготовителями. Приведем краткий обзор функций обеспечиваемых супервизором компании MAXIM.
Она выполняет следующие функции:
• Восстанавливает входное напряжение сброса в течение включения питания и при кратковременных провалах напряжения питания;
• Переключает на батарею резервного питания RAM CMOS, CMOS микропроцессора или другие маломощные логические схемы;
• Создает импульс сброса, если вспомогательный сторожевой таймер не переключается на определенном временном интервале;
• Использует пороговый детектор на 1,3 В для предупреждения сбоев питания, при низком напряжении батареи или подключении источника питания отличного от источника постоянного напряжения + 5В.
Типовая схема использования супервизора показана на рис. 6.9. Супервизор постоянно сравнивает напряжение на входе VСС с напряжением резервной батареи VBATT, и переключает на нее питание, когда напряжение на выходе VOUT становится меньше VBATT. Схема сравнения имеет гистерезис, позволяющий предотвратить многократные повторные переключения при близких значениях VСС и VBATT.
В состав супервизора входит также сторожевой таймер. Как уже упоминалось, микросхема 68HC12 имеет сторожевой таймер COP. Таймер супервизора совершенно подобен ему. Сторожевой таймер генерирует сигнал сброса, если сторожевой вход (WDI) не сбрасывается микропроцессором на интервале ожидания таймера. Подобно системе COP процессора 68HC12, пользователь должен встраивать в состав пользовательской программы команды, позволяющие регулярно создавать сигнал на входе WDI. Если программа становит «зависает», WDI не будет периодически сбрасываться, и на канале RESET супервизора появится сигнал сброса.
6.6.6. Меры энергосбережения
Проектировщик системы может использовать несколько методов, чтобы уменьшить потребляемую мощность встроенной системы управления:
• Рабочая частота: встроенный контроллер должен работать на самой низкой частоте, допустимой для специфического применения. Ключ CMOS потребляет мощность при переключении с одного логического уровня на другой. При более низких рабочих частотах количество переходов уменьшается, и, следовательно, уменьшается потребляемая мощность.
• Команды STOP и WAIT: система команд процессора 68HC12 содержит две команды STOP и WAIT, переводящие процессор в неактивное состояние, и позволяющие уменьшить потребляемую мощность. Например, когда микросхема B32 работает на частоте 8 МГц, ее выходной ток обычно составляет 45 мА. В режиме WAIT, ток, уменьшается до 5 мА а в режиме STOP — до 10 мкА. При выполнении обеих команд в стек 68HC12 помещается адрес возврата и содержание регистров ЦП. Команда STOP останавливает все таймеры системы, при выполнении же команды WAIT таймеры продолжают работать. Обе команды требуют выполнения операций прерывания или сброса для продолжения нормальной работы системы. Обратите внимание, что во многих применениях 68HC12 работает в режиме управляемых прерываний. То есть процессор инициализируется, а затем ждет события, вызывающего прерывание.
• Активация подсистемы: Некоторые подсистемы 68HC12 имеют переключатели «вкл\выкл». Например, подсистема таймера бит разрешения работы таймера (TEN) в регистре управления системой таймера (TSCR). Также, подсистема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) имеет бит подачи питания на АЦП (ADPU) бит в регистре управления АЦП 2 (ATDCTL2). Это позволяет обеспечивать подачу питания на системы только на необходимых временных интервалах необходимо и отключать их, чтобы сохранить мощность когда они не используются.
Часто микроконтроллерные системы представляют собой переносные или дистанционно-управляемые модули. Обеспечение подходящего источника напряжения для системы становится главной задачей — задачей, которая может быть обоюдоострым мечом. С одной стороны, должна быть разработана подходящая система питания, чтобы обеспечить соответствующее напряжение и текущие требования для системы в течение приемлемого временного интервала. С другой стороны проектировщик должен уменьшить потребляемую мощность встроенной системы контроллера. Кроме того, система должна иметь защиту от понижения питающего напряжения. Вся эта совокупность требований рассматривается в данном разделе. Мы ограничиваем наше обсуждение системами с аккумуляторным питанием.
6.6.1. Параметры потребляемой мощности для микроконтроллера 68HC12
Чтобы разработать систему питания для встроенной микроконтроллерной системы, необходимо определить несколько параметров проекта:
• Напряжения питания, необходимые для встроенного контроллера, периферийных устройств, и всех компонентов системы;
• Токи утечки для каждого компонента системы;
• Ожидаемая период работы системы без замены или перезарядки батареи;
• Температура среды.
После определения параметры, можно приступить к проектированию подходящего батарейного источника питания. Для определения этих значений необходимо тщательно исследовать технические данные для каждого компонента системы. Все вычисления должны проводиться для наихудшего случая — другими словами, при наиболее критичных значениях токах утечки и рабочей температуры.
6.6.2. Типы батарей
После определения параметров системы можно начать выбор батареи. На рис. 6.7 и 6.8 представлен краткий обзор характеристик распространенных типов батарей. В обзоре приведены только типы батарей, напряжения и емкости. Полный обзор характеристик приводится в каталоге источников питания для электронных устройств. Такие каталоги обеспечивают хороший обзор для всего разнообразия батарей. Но сначала рассмотрим характеристики четырех основных типов батарей:
• Щелочные: Щелочные батареи относительно дешевы, имеют высокие емкости и большое число типоразмеров. Напряжение на зажимах батареи постепенно уменьшается по мере разрядки; емкость увеличивается при нагревании и значительно уменьшается в низких температурах. Большинство щелочных батарей не может перезаряжаться, но некоторые изготовители выпускают перезаряжающиеся варианты щелочных батареи.
• Кадмий-никелевая: напряжение на их зажимах при полной зарядке ниже чем напряжения щелочных элементов. Также обратите внимание, что емкость батареи этого типа также значительно меньше чем у щелочных батарей. Характеристика разрядки более пологая чем у щелочных батарей, как показано на рис.6.8.
• Никелевая металлогибридная: Никелевая металлогибридная (Ni-MH) батарея может перезаряжаться. Этот тип батареи обеспечивает умеренную емкость за умеренную стоимость.
• Литиевая: литиевая батарея имеет 3,6 В напряжение на зажимах и соответственно большую емкость. Батареи этого типа также имеет довольно пологую характеристику разряда. Однако это свойство сочетается с относительно высокой стоимостью по сравнению с батареями других типов.
| Тип | Неперезаряж. щелочная | Перезаряж. Ni-Cd | Перезаряж. NI-металлогибридная | Неперезаряж. Li | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Размер | Напряжение | Емкость | Напряжение | Емкость | Напряжение | Емкость | Напряжение | Емкость |
| D | 1,5 | 15,000 | 1,2 | 1,200 | 1,2 | 8,000 | 3,6 | 16,500 |
| С | 1,5 | 7,000 | 1,2 | 1,200 | 1,2 | 4,500 | 3,6 | 7,200 |
| АА | 1,5 | 2,250 | 1,2 | 500 | 1,2 | 2,250 | 3,6 | 2,100 |
| AAA | 1,5 | 1,000 | 1,2 | 180 | 1,2 | 600 | — | — |
| N | 1,5 | 650 | 1,2 | 150 | 1,2 | — | — | — |
| 9 В транзистор | 9,0 | 550 | — | — | 9,0 | 170 | — | — |
| 6 В фонарь | 6,0 | 11,000 | — | — | — | — | — | — |
Рис. 6.7. Характеристика пропускной способности для различных типов батареи
Рис. 6.8. Характеристики разряда батареи
Это качественные характеристики. Детальные семейства характеристик с учетом раз рядного тока и температуры приводятся в литературе, предоставляемой изготовителями
6.6.3. Емкость батарей
Что точно представляет собой емкость батареи? Обратите внимание, что емкость измеряется в миллиампер-часах (мА-ч). Эта единица измерения сообщает всю историю. Если известен ток утечки батареи, может быть вычислен срок службы. Например, при напряжении 9 В, емкости 500 мА-ч и токе разряда 5 мА такая батарея должна обеспечивать питание в течение приблизительно 100 часов. Однако, емкость уменьшается при высоких токах разряда и низких рабочих температурах.
6.6.4. Стабилизация напряжения
Вспомним, что питающее напряжение (VDD) для микропроцессора 68HC12 имеет довольно малый допуск, электрические характеристики для контроллера, показывают, что питающее напряжение должно поддерживаться в диапазоне 5В±10%. Чтобы поддерживать это, относительно постоянное напряжение при изменении условий, используется схема стабилизатора. Типичная схема стабилизатора — супервизор микропроцессора, показанный на рис. 6.9.
Рис. 6.9. Цепи супервизора для микропроцессора
Стабилизирующее устройство состоит из микросхемы стабилизатора, оборудованного помехоподавляющими конденсаторами на входах и на выводах. Микросхема стабилизатора обычно представляет собой устройство с тремя выводами: вход (I), выход (O) и общим выводом (C). Эти стабилизирующие устройства определяются выходным напряжением и номинальным током. Хорошим практическим решением является выбор регулятора, номинальный ток которого по крайней мере вдвое превышает максимальную токовую нагрузку. Полная линейка стабилизаторов представлена серией 78XX. Под обозначением XX здесь подразумевается номинальное значение выходного напряжения.
Например, на рис. 6.9 мы использовали микросхему стабилизатора 7805 (+5 В). В серию стабилизаторов 7805 входят приборы для широкого ряда номинальных токов. Стабилизаторы серии 79XX представляют собой ряд стабилизаторов отрицательных напряжений.
На входе и выходе используются сдвоенные конденсаторы: конденсаторы емкостью 0,1 мкФ для подавления высокочастотные помех и фильтровые конденсаторы с емкостью в диапазоне от 100 до 470 мкФ, для снижения выходных пульсаций.
Входное напряжение на схему стабилизатора можно подавать от источника постоянного напряжения или от батареи подходящего типа. При любом из этих вариантов, входное напряжение для стабилизатора должно обычно быть по крайней мере на 3 В больше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.
В случае сбоя питания или разряда батареи, процессор необходимо перевести на резервное питание. Это легко сделать, используя схему управления микропроцессором.
6.6.5. Схемы супервизора для микропроцессора
Имеется много различных схем управления микропроцессором, производимых несколькими изготовителями. Приведем краткий обзор функций обеспечиваемых супервизором компании MAXIM.
Она выполняет следующие функции:
• Восстанавливает входное напряжение сброса в течение включения питания и при кратковременных провалах напряжения питания;
• Переключает на батарею резервного питания RAM CMOS, CMOS микропроцессора или другие маломощные логические схемы;
• Создает импульс сброса, если вспомогательный сторожевой таймер не переключается на определенном временном интервале;
• Использует пороговый детектор на 1,3 В для предупреждения сбоев питания, при низком напряжении батареи или подключении источника питания отличного от источника постоянного напряжения + 5В.
Типовая схема использования супервизора показана на рис. 6.9. Супервизор постоянно сравнивает напряжение на входе VСС с напряжением резервной батареи VBATT, и переключает на нее питание, когда напряжение на выходе VOUT становится меньше VBATT. Схема сравнения имеет гистерезис, позволяющий предотвратить многократные повторные переключения при близких значениях VСС и VBATT.
В состав супервизора входит также сторожевой таймер. Как уже упоминалось, микросхема 68HC12 имеет сторожевой таймер COP. Таймер супервизора совершенно подобен ему. Сторожевой таймер генерирует сигнал сброса, если сторожевой вход (WDI) не сбрасывается микропроцессором на интервале ожидания таймера. Подобно системе COP процессора 68HC12, пользователь должен встраивать в состав пользовательской программы команды, позволяющие регулярно создавать сигнал на входе WDI. Если программа становит «зависает», WDI не будет периодически сбрасываться, и на канале RESET супервизора появится сигнал сброса.
6.6.6. Меры энергосбережения
Проектировщик системы может использовать несколько методов, чтобы уменьшить потребляемую мощность встроенной системы управления:
• Рабочая частота: встроенный контроллер должен работать на самой низкой частоте, допустимой для специфического применения. Ключ CMOS потребляет мощность при переключении с одного логического уровня на другой. При более низких рабочих частотах количество переходов уменьшается, и, следовательно, уменьшается потребляемая мощность.
• Команды STOP и WAIT: система команд процессора 68HC12 содержит две команды STOP и WAIT, переводящие процессор в неактивное состояние, и позволяющие уменьшить потребляемую мощность. Например, когда микросхема B32 работает на частоте 8 МГц, ее выходной ток обычно составляет 45 мА. В режиме WAIT, ток, уменьшается до 5 мА а в режиме STOP — до 10 мкА. При выполнении обеих команд в стек 68HC12 помещается адрес возврата и содержание регистров ЦП. Команда STOP останавливает все таймеры системы, при выполнении же команды WAIT таймеры продолжают работать. Обе команды требуют выполнения операций прерывания или сброса для продолжения нормальной работы системы. Обратите внимание, что во многих применениях 68HC12 работает в режиме управляемых прерываний. То есть процессор инициализируется, а затем ждет события, вызывающего прерывание.
• Активация подсистемы: Некоторые подсистемы 68HC12 имеют переключатели «вкл\выкл». Например, подсистема таймера бит разрешения работы таймера (TEN) в регистре управления системой таймера (TSCR). Также, подсистема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) имеет бит подачи питания на АЦП (ADPU) бит в регистре управления АЦП 2 (ATDCTL2). Это позволяет обеспечивать подачу питания на системы только на необходимых временных интервалах необходимо и отключать их, чтобы сохранить мощность когда они не используются.
6.7. Заключение по главе 6
Мы обсудили условия применения CMOS, внешние и внутренние источники помех в схеме, методы снижения помех, методики испытаний на помехи и современные рекомендации по борьбе с помехами. Мы также обсуждали проблемы питания для встроенной системы, включая типы батареи, ее емкость, схемы управляющие питанием и меры энергосбережения. Хотя эти проблемы относятся к самым разным источникам, все они связаны общей нитью — их решение может превратить хороший проект на бумаге устройство, правильно работающее в «реальном мире».
6.8. Что еще прочитать?
1. Atmel, Inc. «EMC Design Considerations.» Application Note AVR040. 2004.
2. Atmel, Inc. «External Brown-out Protection.» Application Note AVR180. 2002.
3. Barrett, S. F. «Heart Arrhythmia Simulator.» Senior Design Project presented at the annual Nebraska Academy of Science, Lincoln, NE, 1979.
4. Campbell, D. «Designing for Electromagnetic Compatibility with Single-Chip Microcontrollers.» Application Note AN1263/D. Motorola, Inc., 1995.
5. Catherwood, M. «Designing for Electromagnetic Compatibility.» Application Note AN1050/D. Motorola, Inc., 2000.
6. Corp, M. Bruce. ZZAAP! Taming ESD, RFI, and EMI. Academic Press, 1990.
7. Federal Communication Commission. Rules and Regulations Part 15 Radio Frequency Devices, www.fcc.gov, 2004.
8. Glenewinkel, M. «System Design and Layout Techniques for Noise Reduction in MCU-Based Systems.» Application Note AN1259/D. Motorola, Inc., 1995.
9. Horowitz, Paul, and Winfleld Hill. Art of Electronics, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1989.
10. International Electro technical Commission. IEC 61000 Series Guidelines, www.iec.ch.
11. Johnson, Howard. High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1993.
12. Kobeissi, I. «Noise Reduction Techniques for Microcontroller-Based Systems.» Application Note AN1705/D. Motorola, Inc., 1999.
13. Lun, Т. С. «Designing for Board Level Electromagnetic Compatibility.» Application Note AN2321/D. Motorola, Inc., 2002.
14. Maxim Integrated Products, «MAXIM Microprocessor Supervisory Circuits.» MAX 690-695. April 1995.
15. Motorola, Inc. «High-Speed CMOS Logic Data.» 1989.
16. Welch, Т. В. «Teaching Three Phase Power — A Low Voltage Approach.» Paper presented at the ASEE Annual Conference, Milwaukee, WI, June 1997. Welch, Т. В., and J. N. Berry. «Teaching Three-Phase Electrical Power Using a Low-Vollage Power Supply.» Paper presented at the ASEE Annual Conference, Seattle, WA, 1998.
6.9. Вопросы и задания
Основные
1. Опишите методы правильного обращения с устройствами CMOS.
2. Что может случиться, если обращаться с устройствами CMOS неправильно?
3. Что такое «дребезг» переключателя? Как исключить влияние «дребезга» переключателя?
4. Опишите методы снижения потребляемой мощности во встроенных микроконтроллерных системах.
5. Создайте карту выбора батареи из обычно доступных типов. Включить такие пункты, как тип батареи, конструктивные размеры, емкость и стоимостные показатели.
6. Что такое стабилизация напряжения? Почему важно использовать методы стабилизации напряжения во встроенных микроконтроллерных системах?
1. Опишите различие между ESD, RFI, ЭМП помехами, посадками, и импульсами напряжения. Приведите пример для каждого типа помех.
2. Почему таймеры для встроенных микроконтроллерных систем представляют собой традиционный источник помех? Какие методы могут использоваться, чтобы снизить помехи от таймеров?
3. Почему важно подсоединять свободные вводы портов во встроенных микроконтроллерных системах? Как эти вводы должны быть правильно подключены?
4. Почему важно подсоединять свободные входы аппаратного прерывания во встроенной системе контроллера? Как эти вводы должны быть правильно подключены?
5. Расскажите о методах программной защиты.
1. Разработайте систему источника питания с напряжением 5 В для 68HC12. Система должна иметь резервную литиевую батарею и содержать супервизор компании MAXIM. Разработайте блок-схему системы и детально опишите ее работу.
2. Опишите на двух страницах методы проектирования, позволяющие минимизировать чувствительность к помехам.
3. Изучите рекомендации от IEC 6100–4–2 до 6100–4–9. Кратко опишите каждое испытание.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги