Issuu on Google+


содержание

№2/2009 8  О рыночных трендах и не только… 9, 16, 67, 75  СОБЫТИЯ РЫНКА 9, 10, 52, 67, 75, 80  НОВОСТИ мобильных ТЕХНОЛОГИЙ 10, 28  НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

АЦП и ЦАП 12 Маитил Паччигар Методы сопряжения быстродействующих ОУ с АЦП 17 Пол Маккормак Как спроектировать высококачественную систему сбора данных с помощью быстродействующих АЦП 21 Валерий Скляр, Владимир Горохов, Юрий Борисов, Денис Горбунов, Сергей Битюцких Быстродействующие 14-разрядные ЦАП с токовым выходом серии 1273

26 Дэфид Роше Зачем нужен более современный ЦАП?

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 31 Екатерина Самкова Умные вещи 33 Владимир Голышев Некоторые особенности выбора и эксплуатации аккумуляторных батарей 38 Нарасимхан Венкатеш Передача голоса по сети Wi-Fi с помощью технологии Single Stream 802.11n

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 44 Янина Витакре FDMA с одной несущей — новый восходящий канал LTE

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачева; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Клюева; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; Марина Лихинина; распространение и подпис­ка: Юрий Гонцов; Елена Кислякова; верстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Иван Покровский Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­ сия ре­дак­ции. При пе­ре­пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Стратим».

электронные компоненты

www. elcp.ru


50 Владимир Нестеров Применение расширителей дальности CC2590-91 от компании Texas Instruments

МУЛЬТИМЕДИА и ТЕЛЕКОМ содержание

4

53 Тим Симерли Транскодирование аудио- и видеоданных для бытовой электроники

ДАТЧИКИ 65 Андрей Мамруков Микросхемы-датчики прикосновения OMRON BxTS

СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ и ПАМЯТЬ 68 Виджай Девадига NAND или NOR… Какую флэш-память выбрать для проекта?

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 56 Валерий Климов Характеристики современных ИБП с двойным преобразованием. Часть 4

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 64 Дэвид Моррисон Микросхемы цифрового управления преобразованием энергии

www. elcp.ru

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ и СИСТЕМЫ 71 Том Хилл Измерения характеристик современных РЛС с ЛЧМ 77

Новые компоненты на российском рынке


content # 2 / 2 0 0 9

E LEC TRO N IC COM PO N E NTS 20 0 9 #2

MARKET

50 Vladimir Nesterov Applying RF Range Extenders CC2590-91 from Texas Instruments

Market Trends and Other Things…

9, 16, 67, 75  MARKET EVENTS 9, 10, 52, 67, 75, 80  Mobile News

MULTIMEDIA and TELECOM

10, 28  technology News

53 Tim Simerly Audio/Video Transcoding for Consumer Electronics

ADC and DAC 12 Maithil Pachchigar Interface High-Performance Op Amps with ADCs

POWER SUPPLIES 56 Valery Klimov Characteristics of Modern UPS with Double Conversion. Part 4

17 Paul McCormack Taking the Mystery out of Gigahertz, Gigasample & Gigabit Systems Design 21 Valery Sklyar, Vladimir Gorohov, Yury Borisov, Denis Gorbunov and Sergey Bityutskih High-Performance 14-bit ADC with Current Output of 1273 Series 26 Dafydd Roche Why Use a Better DAC?

POWER IC 64 David Morrison Chips Attack Barriers to Digital Control

SENSORS 65 Andrey Mamrukov Touch Sensor IC from OMRON BxTS

MOBILE DEVICES 31 Yekaterina Samkova Intelligent Things 33 Vladimir Golyshev Some Features of Selection and Operation of Accumulators 38 Narasimhan Venkatesh Voice-over-Wi-Fi Implementation with Single Stream 802.11n

WIRELESS 44 Jan Whitacre De-mystifying Single Carrier FDMA — the new LTE Uplink

STANDARD DIGITAL IC and MEMORY 68 Vijay K. Devadiga Employ the Proper Flash Memory in Your Design

TEST and MEASUREMENT 71 Tom Hill Measuring Modern Frequency Chirp Radars 77

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET

электронные компоненты  №2 2009

5 содержание

8


Компании:

производите ли, дистрибьюторы, поставщики

27 Analog Devices (AD)АД Консалтинг 7 EEMB 4-я обл. International Rectifier Москва IR/ Компэл 13 Maxim Integreted Products 2 Microchip Technology Corp. 63 Renesas Technology Russia 25 Tektronix International, Inc. 19 Texas Instruments

39 Александер Электрик Дон ООО 54 Альбатрос Электроникс, ООО 69 Гранит-ВТ ЗАО Спб 23 Компэл, ЗАО

6

10 Миландр содержание

3-я обл. МТ-Систем, ООО 37 МЭЛТ, ООО 39 Неон, ООО 2-я обл. Петроинтрейд, ООО 76 Примэкспо, ООО 4 Резонит, ООО 62 Реом СПб, ЗАО 35 Симметрон, ЗАО 20 СМП, ООО 20 УниверсалПрибор, ООО 16 Электроконнект, ООО 1, 11, 41 Элтех, ООО

www. elcp.ru


О рыночных трендах и не только… Тема кризиса, обсуждение которой мы начали в прошлом номере журнала (см. статью «Дистрибьюторы о кризисе» в «ЭК» №1, 2009), продолжает вызывать резонанс среди участников рынка. Сегодня своей точкой зрения о перспективах российского рынка электронных компонентов делится Дмитрий Велеславов, председатель совета директоров ГК «Макро Групп».

Рынок

8

— Дмитрий Александрович, как, на Ваш взгляд, будут развиваться события на российском рынке электронных компонентов в ближайшие месяцы? Изменятся ли конкурентная среда и расстановка сил среди игроков рынка? — Рынок электронных компонентов, несомненно, сузится, и падение произойдет за счет снижения рублевой ликвидности, существенной девальвации рубля и, как следствие, за счет снижения спроса в коммерческих сегментах рынка. Уже сейчас понятно, что падение рынка будет более чувствительным, чем это казалось в декабре прошлого года. При среднем курсе доллара 40 руб. по итогам года (а это стандартный сценарий развития), объем рынка в долларовом эквиваленте сузится на 35—45% по отношению к 2008 г. Конкуренция обострится не только среди локальных дистрибьюторов, но и между локальными и глобальными игроками. Особенно по брендам, которые присутствуют в линейках и тех, и других поставщиков, таким как Texas Instruments, Analog Devices, Freescale Semiconductors, On Semiconductor и т.д. На этом фоне усилятся позиции брендов «второго эшелона», которые есть только у локальных дистрибьюторов, особенно если они представлены эксклюзивно и ориентированы на сегменты рынка, которые должны стать драйверами в ближайшие 2—3 года. Обострится и конкуренция за конечных заказчиков среди контрактных производителей и локальных дистрибьюторов как за счет увеличения числа первых, так и за счет миграции контрактников, их перепрофилирования в комплексных поставщиков элементной базы и печатных плат. Можно предполагать, что усилятся позиции компаний, имеющих специальные аккредитации, сертификаты и лицензии для работы на рынках спецприменения, например, сертификаты вторых поставщиков «Военэлектронсерта». Наша компания как второй поставщик аккредитована уже на протяжении шести лет. Между тем, некоторые фирмы намеренно

www. elcp.ru

выбрали бизнес-модель для работы на закрытых рынках и на коммерческие рынки не выходят. В нашей стране такая бизнес-модель будет себя оправдывать, по меньшей мере, еще в ближайшие десять лет. Таким образом, намечается тенденция консолидации рынка, упрочатся позиции сильных компаний, слабые будут уходить, увеличится число банкротств. Возможно, в числе финансовых банкротов окажется даже кто-нибудь из первой двадцатки дистрибьюторов. На этом фоне на рынке возобновится волна слияний и поглощений. — За счет чего, по-Вашему, можно сохранять устойчивость в условиях кризиса и, как минимум, не проигрывать в конкурентной борьбе? — Думаю, основными конкурентными преимуществами станут наличие контрактов по обеспечению госзаказа, финансируемого из бюджетов всех уровней, включая муниципальные, а также финансовая устойчивость: отсутствие непогашенных кредитов, жесткая внутренняя финансовая дисциплина и грамотная политика в отношении кредитования заказчиков. На второй план отойдут традиционно важные стороны дистрибьюторского сервиса: внедрение новых продуктов и техническая поддержка. Заказчики будут концентрироваться на том, что уже отлажено, выпускается серийно и есть спрос (читай: «госзаказ»). Лозунг заказчика: «прайс, прайс и еще раз прайс». — Есть мнение, что в период кризиса наиболее выигрышные позиции займут брокерские компании, которые, не имея обязательств перед производителями компонентов, отвоюют часть рынка у франчайзинговых поставщиков… — Во всяком случае, брокерские поставки будут успешно конкурировать с дистрибью��орскими за счет того, что ряд OEM-производителей в США, Европе, Азии обанкротился либо близок к банкротству. Их склады будут реализовываться по самым бросовым ценам. Вообще, сейчас наступает то время,

когда можно смело требовать от своих поставщиков пересмотра цен. В рублях цены не будут дешевле, но в долларах и евро можно добиться существенных скидок. С другой стороны, намечается тренд в сторону «золотого правила» 90-х гг.: ничто так не укрепляет уверенность в клиенте, как вовремя полученная предоплата. Т.е. наиболее актуальной задачей для дистрибьютора, как мне видится, становится достижение компромисса с заказчиком по вопросам цены и условий оплаты. — Еще один вопрос, который интересует нас как участников рекламного рынка. Могли бы Вы по опыту своей компании сказать, как будет меняться маркетинговая политика дистрибьюторов? — Если говорить о рекламных бюджетах дистрибьюторов, то «под нож» пойдут участие в неоправданно дорогих выставках, печатная и имиджевая реклама. Вообще, рекламный рынок будет перераспределяться в сторону интернета, семинаров, конференций, круглых столов на актуальные темы, касающиеся, например, увеличения внутреннего спроса. Как известно, спрос может быть сформирован двумя способами: за счет потребителя и за счет государства. В ближайшие несколько лет остается надеяться только на государство в таких сегментах как ГЛОНАСС, цифровое телевидение, спутниковая связь, авиаприборостроение, системы радиочастотной идентификации, медицинская техника. — Уж если мы заговорили о перспективных отраслях, имеет смысл сказать и о тех сегментах рынках, где ситуация будет развиваться не лучшим образом… — «Проигрывающие» сегменты рын­ка — бытовая электроника, торго-


вое оборудование, охранно-пожарная сигнализация и системы доступа. Несмотря на действия правительства по увеличению ввозных пошлин на импортные автомобили, я все же скептически смотрю на будущее рынка автоэлектроники. В краткосрочной перспективе отечественные автомобили должны выжить, в среднесрочной — не выдержат конкуренции с автомобилями иностранного производства, собираемыми в России. Еще один вариант: сталинскими методами довести локализацию автоэлектронных компонентов до максимально приемлемой, без потери в качестве. Но пока, увы, это взаимоисключающие вещи, о чем можно судить на примере Всеволожского завода «Форд», где за 5  лет сумели локализовать только производство резиновых ковриков… Хочется надеяться, что шансы есть в долгосрочной перспективе. Но для этого требуется перестроить всю экономику с сырьевых рельсов на инновационные. Впрочем, все это мы уже неоднократно слышали.

— Периоды кризиса чаще всего оценивают с негативной точки зрения. А есть ли, на Ваш взгляд, в нынешнем кризисе какие-либо положительные моменты? — Само слово «кризис» в переводе с греческого означает «поворотный пункт», а в китайской традиции, как известно, выражается двумя иероглифами: «вэй», что обозначает опасность и страх, и «цзи» — новые возможности или переломный момент. В этот период появляется шанс для обновления самих компаний, их позиций на рынке и самих рынков. Известно много примеров, когда в период кризиса зарождались новые лидеры рынка. Из тех, что на слуху, американская страховая компания AIG, основанная в период послевоенного кризиса в 20-х гг. XX в. AIG и сейчас остается ключевым игроком на своем рынке, правда, по иронии судьбы именно она стала одним из главных фигурантов нынешнего кризиса. Чтобы предотвратить обвал страхового рынка, американскому правительству в прошлом году пришлось даже ее

национализировать, но это уже другая история… Что касается России, то, на мой взгляд, если бы не случился этот кризис, мы бы еще долго строили «инновационную» экономику. А сейчас руководству страны действительно придется предпринимать конкретные шаги по модернизации экономики. Лично я склонен оценивать любой кризис с конструктивных позиций: это необходимый элемент очищения, перенастройки системы. В такие моменты особенно важно пересмат­ ривать эффективность компании и всех ее элементов. Задача повышения эффективности неразрывно связана с корректировкой целей, т.е. цели должны не только меняться, иногда кардинально, но и выбираться новые. Ибо то, что вчера было драйвером роста, не обязательно останется таковым сегодня. Только новое, креативное, прорывное пробивает себе дорогу в смутные времена. И последнее: кризисы всегда заканчиваются. Важно устоять в это непростое время, а уж если сумеешь устоять, будешь «обречен на успех».

СОБЫТИЯ РЫНКА

| «Комстар-ОТС» начал тестирование транспортной сети DWDM в Москве |  ОАО «Комстар  — Объединенные ТелеСистемы» (CMST ) ввело в Москве в тестовую эксплуатацию транспортную сеть связи нового поколения, построенную с применением технологии DWDM. Об этом сообщила пресс-служба компании. Запуск сети в коммерческую эксплуатацию запланирован ориентировочно на первое полугодие 2009 г. Транспортная сеть «Комстар-ОТС» в Москве состоит в настоящее время из суперядра — ключевого элемента сети — и взаимосвязанных транспортных магистралей дочерних компаний: МГТС (MGTS) и ЗАО «Комстар-Директ». Интегрированная транспортная инфраструктура имеет топологию «двойная звезда», что позволяет повысить надежность сети благодаря возможности полного резервирования. Ранее применялась кольцевая топология. В результате реализации проекта пропускная способность транспортной сети «Комстар-ОТС» в Москве возросла в 10 раз — с 40 до 400 Гбит/с. В рамках строительства была создана единая точка присоединения московской транспортной сети к внешним сетям и региональным компаниям «Комстар-ОТС», а также внедрена централизованная система управления и мониторинга. Строительство транспортной сети «Комстар-ОТС» в Москве началось весной 2008 г. Как ранее сообщал ПРАЙМ-ТАСС, общий объем инвестиций в проект составил около 10 млн. долл. Инвестиции были сделаны в 2008 г. При создании супер­ ядра использовались маршрутизаторы CRS-1 производства Cisco. ОАО «Ситроникс» (SITR) поставило оборудование, провело монтаж и пуско-наладочные работы. Поставку и пуско-наладку оборудования DWDM осуществила компания ECI. Как отметил вице-президент по технологиям «Комстар-ОТС» Александр Кириллов, объем потребляемого абонентами трафика растет экспоненциально, и этот рост не прекратится в ближайшие годы. Созданная архитектура транспортной сети предполагает дальнейшее увеличение пропускной способности для удовлетворения потребностей пользователей интернета без серьезных инвестиций и привлечения значительных человеческих ресурсов.

9

Рынок

www.russianelectronics.ru

ноВОСТИ МОБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

| Lenovo i60 и i60s — бюджетные коммуникаторы | На сайте компании Lenovo появилось описание двух новых коммуникаторов — i60 и i60s. Устройства похожи между собой по дизайну: заключены в белые корпуса, оснащены сенсорными дисплеями и не имеют аппаратных клавиатур. Только у i60 предусмотрена поддержка двух SIM-карт и у него дисплей большего размера. Не сообщается, на основе каких платформ работают коммуникаторы Lenovo i60 и i60s, скорее всего, это Windows Mobile, но есть вероятность, что используется Android. Что касается характеристик, то они у моделей довольно средние. Соответственно, и цена устройств должна быть невысокой. Lenovo i60 оснащен 3-дюймовым сенсорным дисплеем с разрешением WQVGA. Размеры этого коммуникатора составляют 105×55×15 мм, вес — 110,5 г. Lenovo i60s оборудован 2,8-дюймовым дисплеем с разрешением WQVGA. Размеры данной модели — 105×51×17,8 мм, вес — 130 г. Кроме этого, обе новинки работают в сетях GSM 900/1800 МГц, оборудованы 2-Мп камерами и слотами для карт памяти формата microSD. Когда начнутся поставки Lenovo i60 и i60s и на каких рынках их можно будет приобрести, пока не сообщается. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты  №2 2009


Новости технологий | Tektronix представляет решения для анализа аудиошин и источников питания |  Компания Tektronix, Inc., ведущий мировой производитель контрольно-измерительного и тестового оборудования, объявила о выпуске первого в отрасли модуля синхронизации и анализа цифровых последовательных аудиошин и нового модуля анализа источников питания, адресованных разработчикам встраиваемых систем. Оба новых модуля предназначены для осциллографов серии MSO/DPO4000 и DPO3000. Модули DPOxAUDIO и DPOxPWR (DPO3AUDIO, DPO4AUDIO, DPO3PWR и DPO4PWR) предназначены для автоматизации наиболее важных измерений и анализа цифровых аудиошин и импульсных источников питания. Теперь инженеры могут быстрее диагностировать и отлаживать схемы, сокращая время продвижения изделий на рынок. Новые возможности призваны решить две основные проблемы, стоящие перед современными разработчиками встраиваемых систем — интеграции цифрового звука и повышения

эффективности источников питания. «Новый прикладной модуль DPOxPWR быстро настраивается, прост в обращении и построен с учетом богатого опыта компании Tektronix в области измерения характеристик источников питания. Модуль DPOxAUDIO является единственным в отрасли решением, которое может автоматически декодировать данные аудиопротоколов, синхронизироваться от них и выполнять поиск заданного контента», — сказал Боб Блюм (Bob Bluhm), вице-президент и генеральный менеджер отдела осциллографов компании Tektronix. Модуль анализа источников питания DPOxPWR автоматизирует измерения параметров источников питания, в т.ч. качества, коммутационных потерь, гармонических составляющих, области безопасной работы, модуляции, пульсаций, скорости нарастания тока и напряжения (di/dt, dv/dt), а также упрощает калибровку пробников, предшествующую измерению. Оба модуля устанавливаются непосредственно в осциллограф и позволяют выполнять измерения без специальных интерфейсов и внешних компьютеров. Модуль DPOxAUDIO, подобно другим модулям Tektronix, предназначенным для работы с последовательными шинами, представляет собой средство отладки, позволяющее увидеть все особенности поведения последовательной шины. Он декодирует указанное пользователем содержимое пакетов и запускаться от него, а затем отображать результаты в виде коррелированных по времени осциллограмм и пакетов данных. Модуль автоматически декодирует потоки шин I2S, LJ, RJ и TDM. www.tektronix.com

ноВОСТИ МОБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

| Компания Samsung представила видеокамеру SMX-F30 |  В Россию будет поставляться не только собственно анонсированная модель, лишенная встроенной памяти и оснащенная лишь слотом для флэшек формата SD/SDHC/MMS, но и ее модификации SMX-F33 и SMX-F34, оборудованные массивами емкостью 8 и 16 Гбайт соответственно. Новые видеокамеры снабжены поворотными откидывающимися дисплеями с диагональю 2,7 дюйма, 0,8-мегапиксельными CCD-матрицами, оптикой Schneider-Kreuz­ nach, стабилизаторами изображения и видеопроцессорами, которые позволяют экономить электроэнергию (зарядив аккумулятор один раз, можно снять до трех часов видео) и отвечают за реализацию функций распознавания лиц и подавления шумов. Режим Web & Mobile позволяет записывать ролики с разрешением, оптимальным для размещения на видеохостинге YouTube. В итоге сокращается время, необходимое для загрузки роликов на страницу сервиса; кроме того, исчезает необходимость конвертировать видео — оно изначально записывается в разрешении 640×480 точек. Кстати, для компрессии видеозаписей во всех режимах Samsung SMX-F30/SMX-F33/SMX-F34 применяется кодек H.264. Режим «Фото» позволяет использовать новые видеокамеры в качестве фотоаппаратов и получать снимки с разрешением 800×600 точек. В Россию планируется поставлять модель SMX-F30 в четырех корпусах: черном, красном, синем и серебрис­ том. Камеры SMX-F33 и SMX-34 будут доступны только в черном цветовом варианте.

новос ти

10

www.russianelectronics.ru

www. elcp.ru


МЕТОДЫ СОПРЯЖЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ОУ С АЦП Маитил Паччигар (Maithil Pachchigar), инженер по применению, National Semiconductor Создание оптимальной схемы аналогового интерфейса позволяет существенно улучшить рабочие характеристики системы. В статье описываются три варианта сопряжения высококачественных операционных усилителей с АЦП. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

АЦП и ЦАП

12

Для источника входного сигнала АЦП с высоким разрешением представляет собой ВЧ-нагрузку по переменному и постоянному току, равную нескольким сотням Ом или более. Таким образом, быстродействующий операционный усилитель (ОУ) с высоким входным импедансом (несколько МОм) и низким выходным импедансом является идеальным выбором в качестве входного драйвера АЦП. Драйвер АЦП работает как буфер и ФНЧ, что позволяет снизить общий уровень шума системы. По мере распространения сигнала по проводникам печатной платы и длинным кабелям происходит возрастание шумовой компоненты сигнала, и дифференциальный АЦП позволяет ослабить уровень синфазного шума. Использование дифференциальных вместо однополярных сигналов имеет свои преимущества: дифференциальные сигналы в два раза расширяют динамический диапазон АЦП и обеспечивают снижение коэффициента нелинейных искажений. Существует несколько способов получения дифференциальных сигналов при использовании сдвоенного ОУ. Двумя наиболее распространенными из них являются преобразование однополярного сигнала в дифференциальный и преобразование дифференциального сигнала в дифференциальный. В первом методе используется источник однополярного, тогда как во втором — источник дифференциального входного сигнала. Чтобы задействовать весь динамический диапазон АЦП, на его вход должен подаваться полный размах сигнала. В статье обсуждаются три архитектуры драйверов АЦП: однополярный вход/ однополярный выход; однополярный вход/дифференциальный выход; дифференциальный вход/дифференциальный выход. Таким образом, рассматриваются все возможные варианты сопряжения высокопроизводительных ОУ с АЦП.

рис. 1). В типичную схему аналогового интерфейса входит ОУ, АЦП, RC-фильтр и микроконтроллер или DSP. У реального источника входного сигнала неидеальный импеданс. Поэтому для подключения на вход АЦП требуется буферный усилитель с очень низким выходным импедансом. Внешний RLCLфильтр выполняет функцию сглаживания, позволяя снизить ширину шумовой полосы частот драйвера АЦП и уменьшить импульсные помехи, возникающие при работе схемы выборки-хранения АЦП. Для минимизации спада входного напряжения внешняя шунтирующая емкость CL должна быть примерно в 10 раз больше входной внутренней емкости АЦП. Кроме того, необходимо, чтобы внешнее последовательное сопротивление RL было достаточно большим, чтобы сохранить фазовую задержку на выходе ОУ. В большинстве приложений включение последовательного изолирующего резистора между выходом ОУ и входом АЦП позволяет улучшить характеристики системы. Этот резистор ограничивает выходной ток ОУ. Очень важно правильно выбрать номинал этого сопротивления, т.к. при большом значении увеличивается импеданс нагрузки для ОУ и снижается суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (THD). Однако на АЦП предпочтительнее подавать сигнал от источника с низким импедансом. Таким образом, оптимальное значение этого последовательного резистора для ОУ и АЦП необходимо выбирать исходя из наилучшего сочетания значений THD, отношения сигнал/шум (SNR) и дина-

Необходимые компоненты тракта сигнала

Для реализации эффективной схемы аналогового интерфейса необходимо несколько ключевых элементов (см.

www. elcp.ru

Рис. 1. Типовая схема аналогового интерфейса

мического диапазона, свободного от паразитных выбросов (SFDR). При сопряжении АЦП с ОУ в первую очередь следует учесть параметры, влияющие на заданные рабочие характеристики. Такие динамические параметры современных АЦП как THD, SNR, время установления и SFDR критичны в системах фильтрации, испытательном и измерительном оборудовании, видеосистемах и в приложениях, где используется восстановление сигнала. Такие параметры быстродействующих ОУ как время установления, THD и SNR должны быть лучше, чем у АЦП, к входу которого он подключен, чтобы обеспечить работу системы с минимальной погрешностью. В этой статье рассматриваются варианты сопряжения одиночных ОУ LMH6611 или LMH6618 с одноканальным АЦП ADC121S101 и сдвоенных ОУ LMH6612 или LMH6619 с АЦП с дифференциальным входом типа ADC121S625 или ADC121S705. Эти усилители предназначены для применения в широком спектре приложений, в которых требуется обеспечить высокое быстродействие, малый ток потребления, низкий уровень шума, а также возможность работы на комплексную видео- и АЦП-нагрузку. Основные характеристики ОУ и АЦП

Некоторые системные приложения требуют низких значений THD и SFDR, а также широкого динамического диапазона. В других необходимо обеспечить высокое значение SNR за счет возможного ухудшения THD и SFDR, чтобы добиться хороших шумовых характеристик.


Рис. 2. Схема драйвера АЦП с архитектурой «однополярный вход/однополярный выход»

Уровень шума является очень важным показателем как для ОУ, так и для АЦП. Существуют три основных источника шума, влияющие на общие характеристики АЦП — шум квантования, собственный шум АЦП (особенно на высоких частотах) и шум, который вносит схема приложения. Импеданс входного источника влияет на шумовую характеристику ОУ. Теоретически SNR АЦП определяется уравнением SNR = 6,02N + 1,72, дБ,

АЦП и ЦАП

14

(1)

где N — разрешение АЦП. Например, согласно данному выражению у 12-разрядного АЦП SNR = 74 дБ. Однако на практике это значение ниже  — около 72 дБ. Чтобы повысить SNR, следует минимизировать уровень шума драйвера АЦП. У операционных усилителей LMH6611/LMH6612/ LMH6618/LMH6619 уровень напряжения шума весьма низок, он составляет около 10 нВ/ . Общее время установления ОУ и АЦП не должно превышать времени установления одного МЗР (младшего значащего разряда). Для ОУ LMH6618/ LMH6619 и LMH6611/LMH6612 0,01-% время установления составляет 120  нс и 100 нс соответственно. Значение THD драйвера АЦП должно быть ниже THD самого АЦП. У LMH6618/LMH6619

SFDR = 100 дБн при выходном напряжении Vp-p = 2 В и входной частоте 100 кГц. У LMH6611/LMH6612 SFDR = 90 дБн при выходном напряжении Vp-p = 2 В и входной частоте 1 МГц. Отношение сигнал/шум и искажения (SINAD) — параметр, сочетающий показатели SNR и THD. SINAD определяется как отношение среднеквадратического значения выходного сигнала к среднеквадратической величине всех других компонентов спектра на уровне ниже половинного значения тактовой частоты, включая гармоники и исключая постоянную составляющую. Этот показатель определяется в соо��ветствии с формулой .

(2)

В силу того, что SINAD позволяет сравнить все паразитные составляющие частоты с входной частотой, он является совокупным показателем динамических характеристик АЦП. Драйвер АЦП с архитектурой «однополярный вход/ однополярный выход»

В архитектуре драйвера АЦП «однополярный вход/однополярный выход» задействован источник с однополярным входом, подключенный ко входу ОУ. Однополярный выход ОУ соединен с однополярным входом АЦП. Низкий

Таблица 1. Рабочие характеристики комбинации LMH6611/LMH6618 c ADC121S101 Выход ОУ/ SINAD, SNR, THD, SFDR, ENOB (эфф. число ОУ Примечания Вход АЦП, В дБ дБ дБ дБн разрядов) 4 70,2 71,6 –75,7 77,6 11,4 LMH6611 ADC121S101, f = 200 кГц 4 68,2 69,4 –74,5 75,8 11,1 LMH6618 ADC121S101, f = 200 кГц Таблица 2. Рабочие характеристики комбинации LMH6612/LMH6619 c ADC121S625 Выход ОУ/ SINAD, SNR, Вход АЦП, В дБ дБ 2,5 68,8 69 2,5 67,4 67,7

www. elcp.ru

THD, SFDR, ENOB (эфф. число ОУ Примечания дБ дБн разрядов) –81,5 75,1 11,2 LMH6612 ADC121S625, f = 20 кГц –78,7 74,7 10,9 LMH6619 ADC121S625, f = 20 кГц

уровень шума величиной всего лишь 10 нВ/ и широкая полоса пропускания в 130 МГц ОУ LMH6618 идеальным образом подходят для управления 12-разрядным АЦП ADC121S101, который представляет собой АЦП последовательного приближения со встроенным устройством выборки-хранения с частотой выборки 500…1000 KSPS. На рисунке 2 приведена схема подключения LMH6618 в конфигурации с многопетлевой обратной связью второго порядка с коэффициентом усиления –1 (инвертирование) к АЦП ADC121S101. Использование инвертирующей конфигурации предпочтительнее неинвертирующей, т.к. в первом случае обеспечивается более линейная выходная характеристика. В таблице 1 приводятся характеристики схемы, содержащей комбинацию LMH6611 или LMH6618 с ADC121S101. Частота среза драйвера АЦП величиной в 500 кГц определяется из уравнения .

(3)

Коэффициент усиления ОУ определяется по формуле Ку = –R2/R1.

(4)

Драйвер АЦП с архитектурой «однополярный вход/ дифференциальный выход»

Драйвер АЦП в конфигурации «однополярный вход/дифференциальный выход» использует сдвоенный ОУ LMH6619 для буферизации сигнала однополярного источника для управления АЦП с дифференциальными входами (см. рис. 3). Один из ОУ сконфигурирован как буфер с единичным коэффициентом усиления, управляющий инвертирующим входом (IN–) ОУ  U2 и неинвертирующим входом (IN+) АЦП ADC121S625. ОУ U2 инвертирует входной сигнал и управляет инвертирующим входом АЦП ADC121S625. U2 включен по схеме с коэффициентом усиления равным 2, что позволяет снизить уровень шума, не ухудшая THD. На неинвертирующих входах ОУ U1 и U2 установлено синфазное напряжение величиной 2,5 В. В этой конфигурации дифференциальные выходные сигналы имеют величину ±2,5 В при поступлении однополярного входного сигнала в диапазоне 0…VREF на неинвертирующий вход ОУ U1, а каждый из неинвертирующих входов ОУ смещен на среднее значение шкалы 2,5 В. Два выходных сглаживающих RC-фильт­ ра включены между выходами U1 и U2 и входом АЦП ADC121S625 для минимизации влияния паразитного ВЧ-шума


от входного источника. У каждого из RC-фильтров частота среза составляет около 22 МГц. В таблице 2 приводятся рабочие характеристики комбинаций LMH6612 и ADC121S625 и LMH6619 с ADC121S625. Драйвер АЦП с архитектурой «дифференциальный вход/ дифференциальный выход»

Сдвоенный ОУ LMH6619 можно включить как драйвер АЦП в конфигурации «дифференциальный вход/дифференциальный выход» для буферизации источника дифференциального сигнала, который поступает на дифференциальный вход АЦП (см. рис. 4). Драйвер АЦП с архитектурой «дифференциальный вход/дифференциальный выход» состоит из комбинации двух драйверов АЦП с архитектурой «однополярный вход/однополярный выход». Каждый выходной сигнал с этих драйверов поступает на отдельный вход дифференциального АЦП. В этом случае каждый драйвер АЦП по схеме «однополярный вход/однополярный выход» использует те же компоненты и конфигурируется на коэффициент усиления –1 (инвертирование). В таблице 3 приводятся параметры LMH6612 в комбинации с ADC121S625/ ADC121S705 и LMH6619 в сочетании с обоими типами АЦП. В ней также приводятся данные по обоим ОУ — LMH6612 и LMH6619, работающим с двумя АЦП (каждый на своей частоте). Для использования полного динамического диапазона на вход АЦП поступает максимальное входное напряжение 2,5 В.

Рис. 3. Сдвоенный ОУ LMH6619 обеспечивает построение драйвера АЦП с архитектурой «однополярный вход/дифференциальный выход»

Особенности заземления и разводки печатной платы

Рис. 4. Архитектура драйвера АЦП «дифференциальный вход/дифференциальный выход» может быть реализована включением двух ОУ в конфигурации «однополярный вход/однополярный выход»

– следует размещать АЦП и усилитель как можно ближе друг к другу; – следует размещать конденсаторы цепей питания как можно ближе к устройству (<2,5 см);

– необходимо использовать компоненты для поверхностного монтажа вместо монтажа в отверстия, а разводку земли и цепей питания выполнять отдельным слоем;

Таблица 3. Рабочие характеристики комбинации LMH6612/LMH6619 c ADC121S625/ADC121S705 Выход ОУ/ SINAD, SNR, Вход АЦП, В дБ дБ 72,3 72,2 72,2 71,7 72,4 71,2 72 2,5 72,1 72,2 71,2 71,8 71,8 72,5 71,2 72,2

THD, SFDR, ENOB (эфф. число ОУ дБ дБн разрядов) –87,7 92,1 11,7 –87,8 90,8 LMH6612 –80,3 83 11,6 –78,6 –81,4 11,5 –88 91,8 11,7 –80,5 83,7 11,5 LMH6619 –80 82,7 11,6 –78,6 81,7 11,5

Примечания ADC121S625, f = 20 кГц ADC121S625, f = 200 кГц ADC121S705, f = 20 кГц ADC121S705, f = 200 кГц ADC121S625, f = 20 кГц ADC121S625, f = 200 кГц ADC121S705, f = 20 кГц ADC121S705, f = 200 кГц

электронные компоненты  №2 2009

15 АЦП и ЦАП

Соединение земли входного источника с землей источника питания является существенным фактором при разводке печатной платы. Для каждой конфигурации драйвера АЦП важно учесть импеданс источника сигнала при подборе номиналов резисторов в схеме, чтобы дифференциальные выходные сигналы имели одинаковый коэффициент усиления. Например, у прецизионного генератора звука полное внутренне сопротивление равно 22 Ом, а оконечная нагрузка печатной платы — 50 Ом. Таким образом, разработчик должен выбрать коэффициент усиления и настроить входные цепи так, чтобы получить требуемый сигнал на выходе ОУ. Ниже предлагаются рекомендации по разработке печатной платы, которые позволяют обеспечить оптимальные ВЧ-характеристики устройства:


– следует стремиться к тому, чтобы проводники на печатной плате были как можно короче; – необходимо согласовывать линии передачи для длинных проводников. Пример топологии печатной платы драйвера АЦП в конфигурации «дифференциальный вход/дифференциальный выход» показан на рисунке 5.

устройства. Кроме того, для оптимального сопряжения ОУ с АЦП следует учесть такие важные параметры ОУ как THD, время установления и уровень шума. Выбирая три различные архитектуры драйверов АЦП и обращая самое пристальное внимание на заземление и разводку печатной платы, можно существенно улучшить рабочие характеристики системы.

Заключение Рис. 5. Пример топологии печатной платы драйвера АЦП с конфигурацией «дифференциальный вход/дифференциальный выход»

Выбор конфигурации внешней RLCLцепи имеет первостепенное значение для получения высоких характеристик

Литература 1. Interface High-Performance Op Amps With ADCs. Maithil Pachchigar//electronicdesign.com.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Совет Федерации разработал законопроект «О радиочастотном спектре» | Согласно переданному на рассмотрение Минкомсвязи проекту, распределение частот должно перейти в компетенцию правительства. О законопроекте рассказал член Комиссии Совета Федерации по естественным монополиям Глеб Фетисов (также совладелец «Альфа-Групп», акционера ОАО «ВымпелКом») на собрании Ассоциации региональных операторов связи (АРОС). Фетисов считает, что при прежней администрации связи решения Госкомиссии по радиочастотам (ГКРЧ) были пристрастными. По его словам, чтобы сделать работу ГКРЧ более прозрачной, необходимо уменьшить влияние на нее отраслевого министерства и переподчинить правительству. Проект закона «О радиочастотном спектре» предусматривает передачу органов радиочастотного регулирования в подчинение правительству, — заключил Глеб Фетисов. Неделю назад с таким же предложением выступила Федеральная антимонопольная служба РФ (ФАС). Служба предлагает модернизировать ГКРЧ, переведя ее в подчинение правительству. Как заявил заместитель руководителя ФАС Анатолий Голомолзин, ГКРЧ работает по правилам, которые создает для себя сама, а ее решения влияют на конкурентную ситуацию всего рынка. www.russianelectronics.ru

АЦП и ЦАП

16

www. elcp.ru


КАК СПРОЕКТИРОВАТЬ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННУЮ СИСТЕМУ СБОРА ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АЦП Пол Маккормак (Paul McCormack), старший инженер по применению, National Semiconductor Выборка аналогового сигнала с частотой несколько ГГц требует весьма тщательного подхода к проектированию системы сбора данных. Применение в таких системах АЦП с временным разделением каналов является оптимальным решением. В статье рассмотрены особенности АЦП с чередованием каналов и предложены рекомендации по разработке систем аналого-цифрового преобразования на их основе. Обсуждаются вопросы обработки входного аналогового сигнала, проектирования системы синхронизации, а также согласования коэффициента усиления каналов и фазы тактовых сигналов. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1]. динамический диапазон на 3 дБ. Каждое следующее удвоение частоты выборки добавляет дополнительно 3 дБ к динамическом�� диапазону. Имеется еще ряд преимуществ, связанных с увеличением частоты выборки сигнала. Например, увеличение скорости выборки позволяет увеличить разрешение системы LIDAR 1, работа которой основана на принципе измерения времени полета. В цифровых осциллографах также требуется высокая частота выборки для того, чтобы была возможность обработки быстрых аналоговых и цифровых сигналов. Если

частота выборки осциллографа слишком низкая, то прямоугольный сигнал может искажаться. Рисунок 1 иллюстрирует преимущество удвоения частоты выборки на входе осциллографа. Как видно из рисунка, представление сигнала с частотой выборки 6 Гвыб./с намного лучше соответствует реальному аналоговому сигналу на входе осциллографа. Многие другие приложения, связанные с тестовым оборудованием, такие как масс-спектрометрия, основаны на применении передискретизации с высоким коэффициентом, что необходимо для исследования формы сигналов.

17 АЦП и ЦАП

Семейство АЦП ADC08xxxx компании National Semiconductor с частотой выборки более 1 ГГц обеспечивает построение высокопроизводительной системы сбора данных с весьма малым потреблением энергии, что зачастую является сдерживающим фактором при разработке таких систем. Каким образом можно получить преимущество при увеличении частоты выборки аналогового сигнала, и какая именно требуется частота выборки? Есть несколько ответов на этот вопрос. По существу, частота выборки АЦП определяет текущую ширину полосы пропускания сигнала, который может быть оцифрован в данный момент выборки. Согласно теоремам Найквиста и Шэннона максимальная полоса пропускания (BW) равна половине частоты выборки (FS): BW = FS/2. АЦП с частотой выборки 3 Гвыб./с обеспечивает оцифровку аналогового сигнала с полосой пропускания 1,5 ГГц. Удвоение частоты выборки удваивает ширину полосы пропускания до 3 ГГц. Входные цепи преобразователя также должны обеспечивать такую полосу пропускания. Увеличение внутренней полосы пропускания с помощью временного разделения каналов весьма полезно для многих приложений. В системе программно управляемого радио, например, можно увеличить число информационных каналов и, следовательно, пропускную способность устройства. Передискретизация сигнала позволяет улучшить характеристики цифровых фильтров. Удвоение частоты Найквиста позволяет увеличить

Рис. 1. Сравнение результата оцифровки 247,77-МГц сигнала с частотой выборки 3 Гвыб./с (верхняя осциллограмма) и 6 Гвыб./с (нижняя осциллограмма)

1

LIDAR — технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

электронные компоненты  №2 2009


ность паразитной гармоники на частоте FS/2 – FIN зависит от временного сдвига между двумя тактовыми сигналами: P(FS/2 – FIN) = 20log(2πfinToffsetRMS), , Toffset = 2ToffsetRMS.

Рис. 2. Сдвиг фазы тактового сигнала на 90° обеспечивает 4 выборки за один тактовый цикл

Применение АЦП с временным разделением каналов связано с тремя проблемами: точной регулировки фазы тактового сигнала, согласования коэффициента усиления и смещения каждого канала и синхронизации цифровых данных на выходе. Семейство АЦП компании National Semiconductor с частотой выборки несколько ГГц имеет несколько инновационных встроенных функций, которые позволяют решить эти проблемы. Регулировка фазы тактового сигнала

АЦП и ЦАП

18

Обычно в архитектуре двухканального АЦП с чередованием предусматривается, чтобы входной тактовый сигнал выборки одного канала был сдвинут по времени на половину периода тактовой частоты относительно другого канала. Однако ADC083000 использует встроенный механизм чередования каналов и функционирует на тактовой частоте равной половине частоты выборки, т.е. тактовая частота 1,5 ГГц обеспечивает частоту выборки 3 Гвыб./с. Таким образом, в двухканальной системе, использующей два АЦП ADC083000, входные тактовые сигналы выборки должны быть сдвинуты на четверть периода (или 90°) относительно друг друга. Это соответствует 166,67 пс при тактовой частоте 1,5 ГГц. Такой механизм выборки проиллюстрирован на рисунке 2. При разводке печатной платы следует учесть, что длина проводника входного тактового сигнала АЦП2 должна быть больше, чем у АЦП1. Для печатной платы, изготовленной из FR04, скорость распространения сигнала составляет 20  см/нс, или 1 см за 50 пс. Разводку тактовых сигналов следует выполнять так, чтобы минимизировать дополнительную регулировку задержки сигнала на чипе. Например, если проводник тактового сигнала для АЦП2 на 3 см длиннее, чем для АЦП1, то это приведет к сдвигу сигналов по фазе на 150 пс.

www. elcp.ru

Поэтому основной проблемой в этом случае будет точная подстройка временного сдвига еще на 16,67 пс. ADC083000 имеет встроенный механизм подстройки фазы сигнала, который позволяет разработчику программировать задержку входного тактового сигнала с тем, чтобы обеспечить фазовый сдвиг сигнала выборки одного АЦП относительно другого. Фазу тактового сигнала можно отрегулировать вручную с помощью двух встроенных в чип регистров через шину SPI. Регистр грубой регулировки имеет разрешение 4 бита, каждый МЗР (младший значащий разряд) которого обеспечивает сдвиг тактового сигнала примерно на 70 пс. Регистр точной регулировки имеет разрешение 9 бит, что соответствует 512-ти шагам подстройки и обеспечивает общий временной сдвиг на 110 пс. Таким образом, каждый МЗР обеспечивает сдвиг тактового сигнала примерно на 0,2 пс. Грубая подстройка используется для регулировки фазы в сравнительно широких пределах из-за неоптимальной разводки тактового сигнала на плате, или когда разработчику нужно настроить задержку между входным тактовым сигналом и данными на выходе соседних каналов системы сбора данных без чередования каналов. Сдвиг фазы сигналов возможен лишь в сторону увеличения задержки. Раз­ра­ бот­чик должен определить, на какой из АЦП тактовый сигнал должен поступать раньше и отрегулировать его фазу так, чтобы фронт сигнала выборки этого АЦП был сдвинут на 90° относительно фронта сигнала выборки другого АЦП. С использованием программных инструментов оценки АЦП, в данном случае WaveVision 4 компании National Semiconductor, выходной спектр сигнала АЦП может быть представлен в форме БПФ. Для определения временного смещения между входными тактовыми сигналами можно использовать уравнение 1. Уравнение 1 показывает, что мощ-

(1)

При значениях мощности паразитной гармоники P(FS/2 – FIN) = –59,959 дБн и входной частоты FIN = 247,77 МГц из уравнения 1 получим величину временного смещения 1,82 пс, что составляет лишь 0,273% периода тактового сигнала АЦП при тактовой частоте 1,5 ГГц и обеспечивает требуемый уровень точности при подстройке фазы сигнала. согласование коэффициента усиления и смещения каналов

В системе сбора данных с чередованием каналов, использующей два АЦП, напряжение ошибки, возникающей из-за рассогласования коэффициентов усиления каналов, приводит к возникновению паразитных гармоник на частотах FS/2  –  FIN и FS/4 ± FIN. 8-разрядный АЦП имеет до 256-ти выходных кодов. При входном напряжении полной шкалы равным 1 Вp-p, МЗР такого АЦП эквивалентен 1  В/256 = 3,9 мВ. Можно подсчитать, что требуемый уровень рассогласования коэффициентов усиления при допустимой погрешности равной половине МЗР, должен быть не более 0,2%. Входное напряжение полной шкалы или коэффициент усиления ADC083000 могут быть подстроены с помощью 9-разрядного слова по линейному закону. Диапазон регулировки составляет ±20% от номинального значения дифференциального сигнала 700 мВp-p. Минимальное значение управляющего 9-разрядного слова (000000000) соответствует значению 560 мВp-p, а максимальное (111111111) — 840 мВp-p. Подсчитаем теперь минимальный шаг регулировки напряжения смещения для этого АЦП: 840 мВ – 560 мВ = 280 мВ, 280 мВ/512 = 0,546 мВ. Такая точность регулировки обеспечивает уровень рассогласования коэффициентов усиления каналов менее 0,2%, что отвечает указанным требованиям. Рассогласование смещения между соседними каналами генерирует напряжение ошибки, которое приводит к паразитному выбросу на частоте FS/2. Поскольку этот выброс находится у края полосы


частот Найквиста, разработчикам двухканальной системы следует подбирать системную частоту близкую к этой частоте и уделять особое внимание задаче согласования коэффициента усиления и фазы тактового сигнала. Допустим, что требуемое значение согласования смещения равно четверти МЗР. Входное смещение ADC083000 можно отрегулировать линейно и монотонно от номинального значения 0 В до 45 мВ с помощью 9-разрядного слова. Таким образом, каждый шаг регулировки соответствует смещению 0,176 мВ, что позволяет обеспечить точность, не превышающую одной четверти МЗР. Синхронизация цифровых выходов

Еще одной проблемой является синхронизация потоков выходных данных от двух АЦП. Разработчик системы должен обеспечить соответствие моментов выборки сигнала на входе АЦП выходным данным от каждого АЦП. Для достижения

требуемой скорости выборки сигнала и полосы пропускания невозможно мультиплексировать данные на выходах АЦП без жесткой синхронизации. Другими словами, при потере синхронизации невозможн�� обеспечить захват достоверных данных на выходе. В быстродействующих АЦП компании National Semiconductor предусмотрено демультиплексирование сигналов на выходе с целью снижения скорости передачи выходных данных. Пользователь АЦП имеет возможность снизить скорость передачи данных в 2 или 4 раза, в зависимости от быстродействия используемой для приема данных FPGA. Частоту выходного тактового сигнала (DCLK) также можно разделить на два, что упрощает условия захвата данных с помощью FPGA благодаря расширению временного окна. Необходимо учитывать, однако, что из-за демультиплексирования возникает некоторое несоответствие входного тактового сигнала выборки и выходного сигнала DCLK для каждого АЦП. Для преодоления этого в ADC083000 предусмотрена возможность восстановления точного соответствия тактового сигнала выборки и сигнала DCLK на выходе с помощью специального сигнала сброса DCLK_RST, который формируется пользователем. Этот сигнал позволяет синхронизировать работу многоканальных АЦП путем поддержки точного соответствия между выходными данными и связанным с ними входным тактовым сигналом, который использовался для их выборки. При реализации такой системы на практике разработчик должен также учитывать погрешности, вносимые другими компонентами системы, например погрешность коэффициента усиления и смещения усилителя, рассогласование фазы и усиления преобразователя напряжения, погрешности источника тактового сигнала и джиттер. Литература 1. Taking the mystery out of gigahertz, gigasample & gigabit systems design, Paul McCormack//www.embedded.com

АЦП и ЦАП

20

www. elcp.ru


Быстродействующие 14-разрядные ЦАП с токовым выходом серии 1273 Валерий Скляр, зам. нач. отд., ФГУП НИИЭТ Владимир Горохов, зам. гл. инженера, ФГУП НИИЭТ Юрий Борисов, вед. инженер-конструктор, ФГУП НИИЭТ Денис Горбунов, инженер-конструктор 1-й кат., ФГУП НИИЭТ Сергей Битюцких, инженер-конструктор 1-й кат., ФГУП НИИЭТ В статье описаны микросхемы быстродействующих широкополосных 14-разрядных ЦАП серии 1273 разработки ФГУП НИИЭТ, г. Воронеж. Эти ЦАП являются представителями семейства TxDAC и оптимизированы для использования в передающих трактах систем широкополосной связи, оборудовании связи, беспроводных локальных сетях, инструментальных системах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и устройствах прямого цифрового синтеза (DDS). Прототипами микросхем являются изделия фирмы Analog Devices. Микросхемы ЦАП и АЦП относятся к числу компонентов, наиболее широко распространенных на мировом рынке электроники, поскольку они объединяют цифровые и аналоговые блоки различных систем РЭА. Среди приборов этого класса важное место занимают быстродействующие ЦАП с разрядностью 8—16 бит, ориентированные, прежде всего, на беспроводные средства связи и инструментальные системы. Для реализации современного уровня требований к таким ЦАП необходимо решать задачи улучшения их динамических характеристик, а также повышения разрешения и скорости восстановления выходного сигнала. В работе [1] отмечается, что быстродействующие ЦАП для средств связи в большинстве своем выполняются с использованием сегментированной архитектуры на источниках тока (segmented

current source architecture), обеспечивающей высокую точность установления сигнала. При этом помимо стандартных параметров, определяющих свойства быстродействующих ЦАП, например производительность, частота обновления выходных данных, время установления, интегральная (INL) и дифференциальная (DNL) нелинейность, вводятся и такие специальные параметры как SFDR  — динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (гармоник), IMD  — коэффициент интермодуляционных искажений, SNR  — отношение сигнал/шум на частоте несущей и др. Разработка первого отечественного быстродействующего 14-разрядного ЦАП с сегментированной архитектурой на источниках тока 1273ПА4Т была выполнена ФГУП НИИЭТ в 2006 г. Производительность ЦАП составляет

до 125 млн выб./с (MSPS). Прототипом микросхемы является AD9764 фирмы Analog Devices. В настоящее время проводится разработка еще трех типов ЦАП с подобной архитектурой  — 1273ПА5У, 1273ПА6У и 1273ПА7Т. Микросхемы обеспечивают высокую производительность и имеют в составе различные дополнительные устройства, которые значительно расширяют их функциональные возможности. Сравнительные параметры всех четырех типов ЦАП приведены в таблице 1. Основные технические характеристики ЦАП 1273ПА4Т

Микросхема 1273ПА4Т представляет собой ЦАП с КМОП-входом и имеет архитектуру, базирующуюся на сегментированных источниках тока. Особенностью схемотехники ЦАП является использование параллель-

АЦП и ЦАП

21

Рис. 1. Структурная схема ЦАП 1273ПА4Т

электронные компоненты  №2 2009


ных схем с коммутацией двоичновзвешенных токов. Струк т урная схема ЦАП 1273ПА4Т представлена на рисунке 1. Микросхема имеет параллельный интерфейс, встроенный источник опорного напряжения (ИОН) на 1,2 В и дифференциальный токовый выход. Напряжение питания цифровой и аналоговой частей составляет 5 В (±10%) или 3 В (±10%), при этом имеются отдельные выводы питания для цифровых и аналоговых цепей. Помимо этого микросхема содержит следующие функциональные блоки: – управляющий усилитель; – матрицу источников тока; – переключатели тока; – входные триггеры-защелки, срабатывающие по положительному фронту тактового сигнала и совместимые с 3- или 5-В логическими схемами. Управляющий усилитель позволяет регулировать выходной ток полной шкалы (I OUTFS) в диапазоне 2...20 мА. Для установки тока полной шкалы используется внешний регулировочный резистор. АЧХ усилителя корректируется внутренней емкостью 50 пФ. Дальнейшая коррекция осуществляется внешним конденсатором.

Установку выходных токов обеспечивают перек лючатели тока. Необходимый набор выдается матрицей источников тока, при этом выходные токи матрицы разделены на три группы: старшие, средние и младшие. Старшие токи (32 тока) равны опорному току I REF; средние (15 токов) равны I REF/16, а младшие (5 токов) равны, соответственно, I REF/32, I REF/64, IREF/128, IREF/256 и IREF/512. В микросхеме обеспечивается однократная коррекция величины выходных токов с помощью программирования ЭППЗУ на пережигаемых поликремниевых перемычках. Встроенный ИОН можно отключить и заменить внешним источником. Вывод REFIO является входом/ выходом в зависимости от того, какой ИОН подключен: внутренний или внешний. Микросхема 1273ПА4Т имеет два токовых выхода I OUTA и I OUTB , которые могут включаться в схеме как на отдельную, так и на дифференциальную нагрузки. Цифровые входы ИМС состоят из 14-ти входов данных и входа тактового сигнала. ЦАП 1273ПА4Т характеризуется низкой потребляемой мощностью  — 170 мВт при 5 В и 45 мВт при 3 В.

Табл. 1. Сравнительные параметры четырех типов ЦАП № п/п

АЦП и ЦАП

22

Параметр

Обозначение 1273ПА4Т

1273ПА5У 1273ПА6У 1273ПА7Т

1.

Максимальная частота обновления выходных данных, МГц

fMOUR

125

400

2.

Напряжение питания, В

U∩VUСС U≠VСС

5 или 3

3,3

300

210

3.

Нелинейность*, EMP

EL

±6,5

±3,5

±2,5

±0,8

4.

Дифференциальная нелинейность, EMP

ELD

±4,5

±2,0

±1,5

±0,5

5.

Выходной ток полной шкалы по аналоговым выходам, мА

IOUTFS

6.

Время задержки переключения выходного сигнала, нс

tpD

1 (тип.)

7.

Спектральная плотность шума в заданной полосе частот

ON

50 (тип.)

8.

Динамический диапазон, свободный от гармоник, дБ

SFDR

73 (не менее)

74

71

83 (5 МГц) 73 (20 МГц)

9.

Полные гармонические искажения, дБ

TНD

–72 (не более)

–80

–78

10.

Потребляемая мощность, мВт

PD

170 (при 5 В)

300 (при 3,6 В) 185(при 3.6 В)

11.

Режим пониженного потребления (Power-Down Mode), мВт

25 (при 5 В)

13 (при 3,3 В)

12.

Диапазон температур окружающей среды, °С

13.

Корпус

2...20

1

50

160 (при 3.6 В) 15 (при 3,3 В)

–60...85

ТА 4119.28-1

* По зарубежной терминологии — интегральная нелинейность (INL).

www. elcp.ru

5133.48-3

4119.28-1

Имеется также режим пониженного энергопотребления (25 мВт при 5 В). Это делает микросхему привлекательной для портативных применений, а также для других систем с малым потреблением. Что касается аппаратных средств поддержки, то для ИМС 1273ПА4Т полностью применимы средства фирмы Analog Devices и других производителей, разработанные для аналога. В качестве примера можно привести отладочную плату AD9764ЕВ, выпускаемую фирмой Analog Devices. Технические характеристики ЦАП 1273ПА5У, 1273ПА6У, 1273ПА7Т

Микросхема 1273ПА5У представляет собой 14-разрядный ЦАП семейства TxDAC с избыточной дискретизацией. ЦАП имеет токовый выход и параллельный интерфейс. Он может работать с частотой выборки на входе 160 MSPS и на выходе до 400 MSPS. В состав ЦАП входят двухкратный интерполяционный фильтр (КИХфильтр), умножитель частоты с ФАПЧ, ИОН на 1,2 В, управляющий усилитель, мультиплексор заполнения нулями и схема пониженного энергопотребления. Цифровой интерполяционный фильтр выполнен на основе КИХ-фильтра 43-го порядка и работает на частоте в два раза выше CLK. Фильтр можно сконфигурировать как ФНЧ или ФВЧ. Умножитель частоты обеспечивает формирование внутренних тактовых сигналов с частотами в 2—4 раза выше внешнего, что необходимо для работы цифрового фильтра. Цифро-аналоговое преобразование осуществляется путем суммирования токов внутренних стабилизированных источников тока. Источники тока выполнены на р-канальных транзисторах, образующих матрицу. Как и в случае ранее описанного ЦАП 1273ПА4Т, выходные токи матри��ы разделены на три группы: старшие (32  тока), средние (15 токов) и младшие (5 токов). Микросхема 1273ПА5У имеет два токовых выхода I OUTA и I OUTB , которые могут включаться в схеме как на отдельную, так и на дифференциальную нагрузки. Значительное улучшение характеристик искажений и шумов реализуется дифференциальным включением нагрузки, при этом оптимальный результат достигается, когда максимальный размах сигнала на выходах I OUTA и I OUTB не превыша­ет 0,5 В. Входной цифровой код запоминается в линейке триггеров-защелок. Дешифратор двоичного кода в линей-


Рис. 2. Структурная схема ИМС 1273ПА6У

Рис. 3. Структурная схема умножителя частоты ЦАП 1273ПА6У в режиме «ФАПЧ включен»

АЦП и ЦАП

24

ный позиционный код выполнен на комбинационной логике. Микросхема 1273ПА6У представляет собой сдвоенный 14-разрядный одноканальный сверхбыстродействующий ЦАП с производительностью до 300 млн выб./с (MSPS). В состав ЦАП входят следующие основные блоки (см. рис. 2): – ИОН на 1,2 В; – управляющий усилитель; – матрица источников тока; – умножитель частоты; – мультиплексор входа; – входные триггеры-защелки. Микросхема имеет независимые выводы для питания аналоговой, цифровой, тактовой частей и схему

www. elcp.ru

умножения частоты. Цифровые входы состоят из двух каналов по 14 бит и пары дифференциальных входов тактового сигнала. Гибкий цифровой интерфейс выполнен с использованием триггеров-защелок, срабатывающих по фронту. Вне зависимости от ФАПЧ (вкл. или выкл.) выходы ЦАП обновляются дважды за каждый фронт на защелках. Управляющий усилитель (УУ) позволяет регулировать выходной ток полной шкалы I OUTFS в диапазоне 2...20 мА. Как и для двух ранее описанных ЦАП, установку выходных токов обеспечивают переключатели, при этом необходимый набор выдается матрицей источников тока. Умножитель частоты (см. рис. 3)

представляет собой петлю фазовой автоподстройки частоты и обеспечивает формирование внутреннего тактового сигнала с частотой в два раза выше внешнего, что необходимо для коммутации входных данных на вход ЦАП. Микросхема ЦАП 1273ПА7Т представляет собой более быстродействующий вариант ЦАП 1273ПА4Т с частотой обновления выходных данных до 210 млн. значений в секунду. Структура и состав функциональных блоков микросхемы 1273ПА7Т во многом совпадают с 1273ПА4Т. Отличные INL- и DNL- характеристики и малая мощность рассеивания микросхемы 1273ПА7Т делают ее наиболее подходящей для применения в широкополосных портативных и маломощных устройствах. Напомним, что максимальная потребляемая мощность для ЦАП 1273ПА4Т составляет 160 мВт (при 3,6 В). Следует сказать, что величина потребляемой мощности зависит от нескольких факторов: 1) величины напряжения питания; 2) величины тока полной шкалы I OUTFS; 3) частоты тактового сигнала. Потребляемую мощность (мощность рассеяния) для 1273ПА7Т можно снизить вплоть до 60 мВт путем незначительного снижения характеристик ЦАП, уменьшив полномасштабный токовый выход. Для этого рекомендуется работать при напряжении питания 3,0 В, токе полной шкалы 2 мА и возможно более низких частотах тактирования и цифрового сигнала. Микросхема 1273ПА7Т также имеет режим пониженного энергопотребления (дежурный режим, или Power-Down Mode). При реализации этого режима отключаются выходные ключи, а ток потребления по выводу аналогового питания снижается до 8,5  мА и менее. При этом токи выходов I OUTA и I OUTB становятся равными нулю. Мощность рассеяния в режиме пониженного энергопотребления снижается до 15 мВт. В зак лючение следует отметить, что все четыре описанных ЦАП выполнены по современной КМОП-технологии и имеют КМОПсовместимый цифровой интерфейс. ЦАП 1273ПА4Т выпускается серийно с приемкой заказчика, по остальным ЦАП осуществляются поставки опытных образцов для отработки аппаратуры. Их серийный выпуск будет освоен в начале 2010 г. ЛИТЕРАТУРА 1. Гольцова М., Быстродействующие широкополосные ЦАП, «Электроника: наука, технология, бизнес» № 2, 2001, стр. 24—28.


ЗАЧЕМ НУЖЕН БОЛЕЕ СОВЕРШЕННЫЙ ЦАП? Дэфид Роше (Dafydd Roche), менеджер по маркетингу аудиосистем, Texas Instruments Усиление конкуренции на рынке домашней аудио- и видеоаппаратуры требует поиска дополнительных путей повышения качества воспроизведения звукового сигнала. В статье рассматриваются вопросы применения высококачественных ЦАП и АЦП в устройствах потребительской электроники. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. подсистемы, интерфейсы жесткого диска и многие другие блоки, большинство из которых — цифровые, причем каждый из них только выигрывает с переходом на более миниатюрные размеры. Однако то же самое нельзя сказать о блоках смешанных сигналов и аналоговой части системы. С увеличением быстродействия цифровых блоков и уменьшением минимальных размеров транзисторов вопрос о характеристиках аналоговых модулей отходит на второй план. Это может привести к значительному снижению отношения сигнал/шум аналоговых схем. В результате становится достаточно сложно получить высокое качество звукового сигнала на выходе СнК. Многие СнК обеспечивают динамический диапазон около 90 дБ и выше, однако это достигается, как правило, за счет использования дифференциального выхода, позволяющего расширить этот диапазон еще на 3 дБ. Для сотовых телефонов значение 90  дБ можно считать приемлемым, чего нельзя сказать в отношении аппаратуры для домашних развлечений. Динамический диапазон современных аудиовидеосистем как минимум равен 105 дБ, причем у более совершенных из них этот показатель достигает 120 дБ. Использование внешних аудио ЦАП с улучшенными характеристиками в домашней и портативной аппаратуре действительно имеет свои преимущества. Низкокачественные 16-разрядные 96-дБ ЦАП вынуждены использовать полную рабочую шкалу для того, чтобы обеспечить максимально высокую разность между заданным уровнем шума квантования и выходным адудиосигна-

АЦП и ЦАП

26

Зачем использовать внешние АЦП и ЦАП, если СнК содержит встроенный кодек? Мне как менеджеру по маркетингу аудиосистем доводилось не раз слышать этот вопрос от заказчиков. Действительно, во многие СнК, применяемые в такой массовой продукции как телевизоры, ТВ-приставки и DVD/Bluerayплееры, обычно встроены преобразователи сигналов. На первый взгляд, это решение кажется прекрасным  — все компоненты системы встроены в чип! Однако «не все то золото, что блестит». Одной из самых сложных проблем, которые приходится решать производителям полупроводниковых компонентов, является поиск компромисса между желанием обеспечить наилучшие характеристики чипа и возможностями технологического процесса их изготовления. Каждый технологический процесс, предлагаемый тем или иным производителем компонентов, имеет свои преимущества. Стремление обеспечить максимальные возможности для цифровой обработки сигнала на одном кристалле приводит к необходимости уменьшить размеры транзисторов, однако при этом начинают ухудшаться характеристики аналоговой части системы. Создание АЦП и ЦАП с динамическим диапазоном выше 96 дБ становится все сложнее по мере уменьшения технологических норм изготовления многих ASIC. Рассмотрим, например, быстродействующий процессор ТВ-приставки. В настоящее время кристалл такого устройства содержит процессор для декодирования видеосигнала в режиме реального времени, системный микропроцессор, Ethernet-

лом. Многие предлагаемые на рынке системы, например AV-ресиверы, позволяют регулировать громкость выходного сигнала в широком диапазоне. При любом виде цифровой регулировки уровня аудиосигнала в ЦАП или DSP используется (при уменьшении громкости) меньшее количество битов для представления сигнала, но уровень шума остается тем же. Это приводит к тому, что характеристики «достаточно хорошего» аудио ЦАП при определенных условиях становятся сопоставимы с характеристиками ЦАП, применявшихся в начале 80-х гг. прошлого века. На рисунке 1 схематически показана регулировка громкости в 100-дБ ЦАП, на вход которого подается сигнал полной шкалы с CD-проигрывателя. Уровень шума находится ниже динамического диапазона звукового сигнала. Другими словами, уровень шума квантования, присутствующего в звуковом сигнале, выше, чем собственный шум преобразователя. При уменьшении громкости сигнала с помощью DSP или ЦАП на 20 дБ младшие разряды 16-разрядного 96-дБ сигнала попадут в область собственного шума преобразователя. Причина, по которой я советую разработчикам использовать ЦАП с более высокими характеристиками по сравнению с характеристиками источника сигнала, заключается в обеспечении достаточной разности между уровнем сигнала и максимальным уровнем шумов преобразователя. В результате при уменьшении громкости звука даже на 20 дБ его качество не пострадает. Рисунок 2 поясняет изложенный принцип. На рисунке видно, что даже при ослаблении звука на 20 дБ качество аудиосигнала не снижается. Улучшение качества звуковоспроизведения с помощью внешнего ЦАП

Рис. 1. Цифровая регулировка громкости в 100-дБ ЦАП

www. elcp.ru

Рис. 2. Цифровая регулировка громкости в 118-дБ ЦАП

В настоящее время в большинстве типов домашней аппаратуры, которая содержит аудио ЦАП, используются несовершенные системы цифровой регулировки громкости, или применяется аналоговая регулировка уровня звука с электроприводом для обеспечения дистанционного управления. Преимущество аналоговой регулировки заключается в одновременном уменьшении шума и сигнала, что позволяет обе-


спечить приемлемый уровень отношения сигнал/шум. Для аудиосистем более высокого качества с этой целью используются усилители с программируемым коэффициентом усиления. Регулировка усиления в таких системах происходит по последовательному интерфейсу путем подачи управляющего слова. Однако из-за серьезных требований к снижению стоимости бытовой электронной аппаратуры вопрос поддержания уровня сигнала выше уровня собственных шумов является ключевым для достижения более высокого качества работы системы. Высококачественный ЦАП (с динамическим диапазоном 110 дБ и выше) обеспечивает высокое качество воспроизведения звука даже при ослаблении сигнала с CD-проигрывателя на 14 дБ и более. Использование внешнего АЦП

Необходимость использования внешнего АЦП с улучшенными характеристиками вместо АЦП, встроенного в СнК, не менее, если не более, насущна, чем в случае с ЦАП. В современных домашних аудио/видеосистемах типовой уровень используемого аудиосигнала равен 2 Вrms (5,6 Вpp). Однако во многих устройствах по-прежнему используются сигналы с уровнем +4 дБu (1,23  Вrms) и –10 дБV (0,316 Вrms). Разница между 0,316 и 2 Вrms составляет около 22  дБ! Предположим, что следует откалибровать цепь сигнала АЦП для приема входного сигнала 2 Вrms. Любой другой аудиосигнал с уровнем –10 дБV, поступивший в систему, будет воспринят в четыре раза тише

АЦП и ЦАП

28

(т.е. его уровень окажется ниже диапазона полной шкалы на 20 дБ). Обычно в этом случае запускается автоматическая цифровая регулировка усиления, позволяющая увеличить его на 20 дБ и выше. Однако недостаток этого алгоритма в том, что при его использовании на 20 дБ повышается не только уровень сигнала, но и величина собственных шумов АЦП. Существуют два способа решения этой проблемы, как и в случае с ЦАП. Один из них  — использовать более совершенный АЦП (с динамическим диапазоном 107 дБ и выше). Другой способ состоит в использовании входного усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Высококачественный АЦП позволит снизить уровень шума даже при усилении 10…15 дБ. Многие АЦП, предлагаемые в настоящее время на рынке, имеют на входе мультиплексор и усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Например, серия устройств PCM185xA от Texas Instruments имеет усилитель с диапазоном регулировки усиления 22 дБ с шагом в 0,5 дБ. Такое усиление применяется после того, как система обнаружит на входе сигнал величиной –10 дБV. Стоимость проекта

Оценим стоимость включения дополнительного ЦАП в разрабатываемый проект. Обычный 105-дБ ЦАП (например, PCM1754) увеличит стоимость мелкосерийных (около 100 шт.) устройств на 1,3 долл. Однако благодаря этому ЦАП система получит несимметричный выход, непосредоственно подключае-

мый к линейному драйверу и усилителю наушников без использования дополнительного усилителя, преобразующего дифференциальный сигнал в однополярный. Одно только это решение позволяет сэкономить 0,41 долл. в мелкосерийных партиях (RC4580). Заключение

Более высокое качество выходного сигнала при увеличении стоимости устройства на 0,8 долл. (для партии в 100 шт.) обеспечивает ощутимое рыночное преимущество перед другими решениями. Просто «хорошая» продукция производителя не в состоянии быть достаточно конкурентоспособной. В данном случае единственное преимущество системы — в ее цене. Таким образом, при проектировании системы следует обратить самое пристальное внимание на всю цепь прохождения и обработки сигнала, оптимизация которой принесет несомненные преимущества перед конкурентными решениями. Литература 1. Why Use a Better DAC? Dafydd Roche// www.audiodesignline.com. 2. Basics of ADCs and DACs, Part 2/Part 3. 3. Using Op Amps with Data Converter  — Part 2: Key ADC/DAC specifications. 4. Understanding superior professional audio design: A block-by-block approach. 5. Audio ADC buffer design secrets: Interfacing to audio ADC sampling circuits. 6. 2 Vrms — A funny old standard. 7. www.ti.com/audio.

Новости технологий

| Tektronix предлагает лучшие в своем классе осциллографы по минимальным ценам для отладки аналого-цифровых схем |  Компания Tektronix, Inc. объявила о начале выпуска осциллографов смешанных сигналов MSO2000 и цифровых запоминающих осциллографов DPO2000 для разработчиков встраиваемых систем. Новая серия предлагает мощные средства, упрощающие отладку систем смешанного типа. Эти средства включают систему поиска и навигации Wave Inspector®, функции автоматического декодирования сигналов последовательных шин, уникальные перестраиваемые фильтры нижних частот FilterVu™, позволяющие снизить нежелательный шум. «Новые осциллографы Tektronix серии MSO/DPO2000 подходят для решения разнообразных задач и используются как в разработке и производстве, так и при проведении ремонтных работ в сервисах,  — отметил Альфред Мора (Alfred Mora), инженер-электротехник компании Datalogic Scanning, Inc. — Они объединяют функции осциллографа, логического анализатора и анализатора протокола в одном портативном и простом в обращении приборе. Возможность работы со смешанными сигналами, декодирование последовательных шин, небольшие размеры и приемлемая цена делают их весьма привлекательными». Каждая серия осциллографов MSO2000 и DPO2000 состоит из трех моделей с диапазоном частот 100…200 МГц, с двумя или четырьмя каналами, функцией синхронизации по последовательным потокам данных, возможностью декодирования протоколов и подключения к ПК через USB. Осциллографы имеют яркий семидюймовый широкоэкранный ЖК-дисплей. Модели MSO2000 оборудованы 16-ю цифровыми каналами, что в сумме составляет 20 коррелированных по времени каналов для отладки как аналоговых, так и цифровых систем. Все модели обеспечивают запись 1 М точек и частоту дискретизации 1 Гвыб./с на каждом канале. Новые модели имеют скорость захвата до 5000 осциллограмм в секунду, что облегчает поиск нерегулярных помех и анализ переходных процессов. Новые осциллографы серии MSO2000 и DPO2000 являются единственными осциллографами, способными одновременно отображать отфильтрованный сигнал и высокочастотные составляющие в полной полосе пропускания осциллографа. При стандартной конфигурации всех моделей на передней панели осциллографа имеется USB-хост-порт для подключения внешних накопителей, а на задней панели прибора — обычный USB-порт для подключения к ПК. Кроме того, к порту на задней панели можно подключать принтеры, поддерживающие технологию PictBridge® для непосредственной печати без компьютера. В комплект поставки осциллографов серий MSO2000 и DPO2000 входит бесплатная версия программного обеспечения NI LabVIEW SignalExpress™ Tektronix Edition. Ее можно обновить до полной версии, которая включает более 200 функций измерения, захвата, анализа и составления отчетов.

www.tektronix.com

www. elcp.ru


третий форум руководителей предприятий

«НОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА РОССИИ» 26 марта 2009 г., Институт современного развития, Москва

Цель форума — выявить идеи/концепции, которые позволят российским компаниям существенно увеличить свою долю на российском и мировом рынках электроники в период перестройки экономической системы Участники Форума — российские разработчики и производители электронной аппаратуры, модулей и электронных компонентов.

  Влияние кризиса на рынок электроники.   Новая государственная стратегия развития отрасли.   Выступления лидеров рынка: «Elecard» (Томск): ведущий мировой производитель программных и аппаратных решений, реализованных на базе технологий видеокомпрессии MPEG-2 и AVC/H.264. Компания ведет разработки в области цифрового эфирного телевещания и потокового видео, которые используются мировыми лидерами отрасли… «Аурига» (Москва): компания входит в число лидеров контрактных разработчиков встраиваемого программного обеспечения, специализируется на разработке систем для следующих отраслей: медицина, связь, аэрокосмическая промышленность и транспорт… «Навис» (Москва): основным направлением научнопроизводственной деятельности предприятия является создание аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS… «ЭлеСи» (Томск): ведущий российский разработчик и производитель систем промышленной автоматизации. В 2008 г. компания «ЭлеСи» представила на рынке программируемый логический контроллер нового поколения SKOREX, разработанный совместно с Phoenix Contact… «ЮникАйСиз» (Москва): является одним их крупнейших российских разработчиков интегральных микросхем. Дизайн-центр был основан в 2000 г. с целью разработки системных решений и уникальных технологических продуктов в различных областях микроэлектроники…   Голосование, выборы лауреатов премии, награждение лауреатов, выступления членов экспертного совета, представителей государственной власти   Фуршет

За более подробной информацией обращайтесь в оргкомитет Форума. Тел./факс: (495) 741-7701, доб. 2233; 741-7702. Контактное лицо: Динара Бараева, e-mail: conf@ecomp.ru


Просим Вас заполнить бланк заявки и направить его по факсу (495) 741-77-02 или по эл. почте conf@ecomp.ru. На основании заявки будет выставлен счет, который необходимо оплатить до 24 марта 2009 г. Внимание! Заявки на конференцию принимаются до 20 марта 2009 г.

трет��й форум руководителей предприятий

«НОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА РОССИИ» 26 марта 2009 г., Москва Компания:............................................................................................................................................................................................................................................................. 1. Ф.И.О.: ..................................................................................................................................................................................................................................................... Должность:......................................................................................................................................................................................................................................................... 2. Ф.И.О.: . .................................................................................................................................................................................................................................................... Должность: . ....................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Ф.И.О.:...................................................................................................................................................................................................................................................... Должность:......................................................................................................................................................................................................................................................... Тел.:................................................................... Факс:............................................................................. Эл. почта:............................................................................... . ................................................................................................................................................................................................................................................................... Юридический адрес компании*: ............................................................................................................................................................................................................... . ................................................................................................................................................................................................................................................................... Почтовый адрес*: ..................................................................................................................................................................................................................................... . ................................................................................................................................................................................................................................................................... ИНН*: . ..............................................................

КПП*: .........................

* Для оформления счета-фактуры и акта сдачи-приемки

Стоимость участия в конференции:

  8 000 руб. за одного представителя компании;   14 000 руб. за двух представителей компании;   18 000 руб. за трех представителей компании. Скидки (отметьте пункты, относящиеся к Вашей компании; скидки суммируются):

       

подписчик «ИД Электроника» (5% от стоимости участия); рекламодатель «ИД Электроника» (5% от стоимости участия); участник прошлых конференций «ИД Электроника» (5% от стоимости участия); заявка направлена до 15 февраля (5% от стоимости участия).

Дополнительную информацию о программе конференции, условиях участия в выставке и возможностях выступления с докладом мы предоставим Вам по запросу. Получить бухгалтерские документы и отметить командировочное удостоверение представители фирм-участников смогут в день работы конференции у стола регистрации. Внимание! Для получения финансовых документов необходимо иметь при себе доверенность от организации-плательщика на право подписи.

За более подробной информацией обращайтесь в оргкомитет Форума. Контактное лицо: Динара Бараева, Тел./факс: (495) 741-7701, доб. 2233/741-7702. e-mail: conf@ecomp.ru


УМНЫЕ ВЕЩИ Екатерина Самкова, научный редактор, ИД «Электроника» В статье кратко обсуждаются особенности поколений мобильной связи и мобильных устройств на примере iPhone. Приводятся основные особенности этого популярного аппарата, и описываются сенсорные экраны мобильных устройств  — главные составляющие интерфейса пользователя.

iPhone

iPhone  — первый смартфон, выпущенный фирмой Apple, крупнейшим производителем компьютерной тех-

ники и программного обеспечения. Интересно, что до презентации первого iPhone в начале 2007 г. компания на протяжении 30-ти лет официально называлась Apple Computer. Однако впоследствии название было сокращено, что наглядно демонстрирует смену основного фокуса корпорации с традиционного для нее рынка компьютерной техники на рынок бытовой электроники. iPhone быстро покорил пользователей США удобством работы и красочностью дизайна, а затем появился и в других странах. Через год, в июне 2008 г., появилась вторая модель iPhone 3G, более совершенная и лишенная некоторых недостатков предшественника. Несмотря на всю шумиху, развернувшуюся в ожидании iPhone, в нем нет ничего революционного. Тем не менее нельзя не заметить ключевые достоинства iPhone, отличающие его от других устройств. Во-первых, он оснащен большим сенсорным 3,5-дюймовым дисплеем; во-вторых, он имеет продуманный и красочный пользовательский интерфейс, а также огромный для телефона объем встроенной памяти 8 или 16 Гбит. В первой версии iPhone была реализована поддержка следующих стандартов: GSM, WiFi, EDGE и Bluetooth. Они относятся ко второму поколению и поддерживаются практически любым мобильным телефоном. Представленный в прошлом году iPhone 3G обеспечивает передачу данных в формате UMTS и HSDPA, а это стандарты третьего поколения. Основа iPhone  — процессор ARM фирмы Samsung и встроенная микросхема памяти Toshiba. На рисунке 1 показаны основные компоненты, используемые в iPhone. Передача данных идет по сетям UMTS (Universal Mobile Telecommunications System  — универсальная мобильная телекоммуникационная сеть) с использованием высокоскоростного протокола обмена HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access  — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному

телефону). Для максимальной скорости передачи данных предусмотрено автоматическое переключение между сетями EDGE, 3G и Wi-Fi. Другими словами, устройство самостоятельно выбирает наилучшие условия для обмена. При работе вне зоны охвата сетей 3G используются стандарты EDGE и GSM. Еще одно достоинство iPhone  — многозадачность. Благодаря поддержке технологий третьего поколения пользователь может одновременно выходить в интернет, пользоваться навигационными картами и разговаривать. Несмотря на большое количество передатчиков и поддерживаемых стандартов (UMTS, HSDPA, GSM, Wi-Fi, EDGE, GPS и Bluetooth 2.0 + EDR), коммуникатор оснащен всего двумя антеннами, которые довольно хитро спрятаны в самых неожиданных местах. На iPhone установлена ОС Mac OS X. Подключение к компьютеру осуществляется через интерфейс USB 2.0, а синхронизация данных производится программой iTunes. Смартфон или коммуникатор?

Этот вопрос может многих поставить в тупик. Исходя из названия, смартфон — это «умный телефон», то есть мобильный телефон, дополненный функциями КПК. Коммуникатор  — это КПК со встроенным модулем связи. Как правило, коммуникаторы в отличие от смартфонов лишены физической телефонной клавиатуры, но у них имеется большой сенсорный дисплей и широкий набор функций. Смартфон отличается от обычного телефона более развитой ОС, которая позволяет устанавливать или удалять дополнительные приложения. Кроме того, имеется возможность запускать несколько программ одновременно (например, плеер и текстовый документ). Однако многие современные смартфоны, как и коммуникаторы, уже оснащены сенсорным дисплеем, поэтому не всегда удается однозначно провести границу между этими устройствами. Вероятно, в будущем эти два класса устройств сольются в один.

электронные компоненты  №2 2009

31 мобильные ус тройс тва

Поколения мобильной связи

Историю развития мобильной связи принято делить на этапы или поколения. К первому из них относятся аналоговые стандарты. Затем мобильная связь стала цифровой, появилась возможность передавать сообщения. С появлением таких стандартов как GPRS и EDGE наступил промежуточный этап  — 2.5G. Телефон стал не только средством голосового общения, но и терминалом для выхода в интернет. Однако низкая скорость передачи данных не позволяет полноценно пользоваться всемирной сетью. Качественная и быстрая, до нескольких Мбит/с, передача данных стала отличительной чертой связи третьего поколения. Мобильные сети 3G обеспечивают возможность одновременной передачи голосовых и неголосовых данных (загрузка файлов, обмен электронной почтой). К стандартам третьего поколения относятся UMTS и CDMA2000, однако в настоящее время они доступны не во всех странах. В России лицензия на использование технологий 3G была приобретена в середине 2008 г., но для запуска сети необходимо тщательно подготовиться и решить ряд задач. Несмотря на то, что стандарты третьего поколения до сих пор не поддерживаются в ряде стран, на пороге уже технологии следующего поколения. Мобильная связь четвертого поколения характеризуется высокой скоростью передачи данных (сотни Мбит/с), повышенным качеством голосовой связи и возможностью видеотелефонии. Однако следует заметить, что Международный союз телекоммуникаций (International Telecommunication Union, ITU), который занимается сертификацией стандартов, окончательно еще не одобрил технологии 4G, да и сам термин пока не утвержден.


Рис. 1. Начинка iPhone

мобильные ус тройс тва

32

Несмотря на то, что Apple назвала свое творение iPhone, оно, скорее всего, относится к коммуникаторам. Во-первых, у него нет физической клавиатуры. Во-вторых, прикладные для смартфонов задачи, например прослушивание музыки, выход в интернет и просмотр фотографий, реализованы в нем удобнее, чем в телефоне. Поддержка технологий третьего поколения делает iPhone в первую очередь устройством для выхода в интернет. Тем не менее iPhone чаще называют смартфоном. Сенсорные дисплеи являются основной частью пользовательского интерфейса. В iPhone используется емкостный сенсор, однако он отличается от классических дисплеев этого типа. У пользователя нет непосредственного контакта с экраном, защищенным стеклом. Взаимодействие осуществляется за счет электростатического поля человека, на которое реагируют встроенные в дисплей конденсаторы (см. рис. 2)

Рис. 2. Структура емкостного сенсорного дисплея

www. elcp.ru

Экран iPhone имеет большой размер и отображает 16 млн цветов, поэтому работать с ним удобно и комфортно. Специальный контроллер ускорения позволяет менять развертку (вертикальная или горизонтальная) в зависимости от положения устройства в руке. Интересный подход существует и в отношении экономии заряда аккумулятора. Так, в дисплей встроен интеллектуальный датчик, который подстраивает яркость изображения в зависимости от внешних условий. Кроме того, во время разговора (при поднесении телефона к уху) по сигналу датчика отключается дисплей, что позволяет не только уменьшить потребление, но и предотвратить случайные нажатия. Конкуренты

По популярности равных iPhone пока нет, однако лидеры рынка смартфонов и  КПК не теряют время даром и  выпус­ кают новые модели, которые могли бы составить серьезную конкуренцию

изделиям Apple. Сенсорные смартфоны или КПК выпускаются такими компаниями как ASUS, HP, LG, Nokia, Palm, RIM, Samsung и Sony Ericsson. Наиболее продвинутые аналоги iPhone — это BlackBerry Storm компании RIM и Nokia 5800 XpressMusic. Мы не будем оценивать удобство и функциональность этих моделей, однако выделим некоторые их особенности. Коммуникатор BlackBerry Storm во многом похож на iPhone: в нем также имеется поддержка 3G, сенсорный дисплей и большой объем встроенной памяти. С одной стороны, BlackBerry Storm лишен некоторых недостатков iPhone, таких как отсутствие команд «копировать» и «вставить» или невозможность сменить аккумулятор и записать видео. Однако с другой стороны, этому коммуникатору по сравнению с iPhone не хватает поддержки нескольких одновременных нажатий, Wi-Fi (производитель отказался от него ради экономии заряда аккумулятора) и дополнительных сервисов, которые поставляет Apple — AppStore и iTunes. У Nokia 5800 XpressMusic также отсутствует функция поддержки нескольких одновременных нажатий, ключевой особенности iPhone, но в целом аппарат является удобным и быстрым мультимедийным устройством. Литература 1. www.ifixit.com. 2. www.topwords.ua/test/review_iphone_2. 3. w w w . i t - i n n o v a t i o n s . r u /c o n t e n t / view/45/127.


НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА И ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Владимир Голышев, технический консультант ИД «Электроника» В статье приведены основные характеристики и сведения по эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ). Основное внимание уделено литийионным батареям, наиболее часто используемым в мобильных устройствах. Подробно рассмотрены методы заряда литий-ионных батарей, приведены графические характеристики, связывающие емкость батареи, срок службы, напряжения холостого хода и т.д. Кратко рассмотрены зарядные устройства. Выбор аккумуляторных батарей

Помимо мобильных устройств, аккумуляторные батареи используются в стационарных устройствах с резервным питанием, например в медицинской электронике, системах безопасности и  т.д. Выбор и правильная эксплуатация АБ сказывается на функциональных характеристиках и надежности изделия. Требования к АБ различаются в зависимости от типа оборудования, в котором они используются. Обычно среди главных требований фигурируют следующие: – срок службы; – срок службы, исчисляемый в циклах «заряд/разряд»; – емкость; – напряжение холостого хода; – ток разряда; – безопасность; – габариты.

Все перечисленные параметры варьируются в зависимости от химического состава АБ. В таблицах 1 и 2 [1] приведены основные параметры перезаряжаемых и неперезаряжаемых АБ. Из таблиц видно, что литий-ионные АБ по ряду параметров имеют преимущества перед остальными, поэтому они нашли сегодня очень широкое применение. Рассмотрим их несколько подробнее: наиболее интересны для нас перезаряжаемые АБ. Литий-ионные АБ

В таблице 3 [2] приведены основные характеристики литий-ионных АБ с различными катодами. АБ с катодом из литий-оксид кобальта наиболее распространены и применяются обычно там, где требуется большая емкость, например, в камерах, сотовых теле-

фонах, наладонных компьютерах и т.д. Особый интерес представляют относительно новые полимерные литийионные АБ. Основное их отличие заключается в использовании твердотельного проводящего полимера вместо жидкого электролита, хотя эти АБ содержат и электролитическую пасту для уменьшения внутреннего сопротивления. Уменьшение жидкого электролита позволяет изготовить батарею в фольговом корпусе вместо тяжелого металлического, требуемого для стандартных батарей. Такие АБ сейчас начинают активно применяться, их преимущества состоят в том, что они дешевле и более гибкие в использовании — они могут производиться в корпусах различной формы, в т.ч. в очень тонких. Рано или поздно все перезаряжаемые АБ истощаются. Производители

Таблица 1. Основные характеристики перезаряжаемых АБ Плотность энергии Напряжение, Гравиметрическая, В Объемная, Вт•ч/л Вт•ч/кг

Герметичные свинцовокислотные (SLA)

1,5

60

100

Никелькадмиевые (NiCd)

1,2

50

210

Никельметаллгидридные (NiMH)

1,2

125

400

Литий-ионные (Li-Ion)

3,6

240

550

Полимерные литий-ионные (Li-Polymer)

3,6

260

540

Литий-ионные фосфатные

3,3

108

220

Преимущества Наиболее удобные для применения в стационарном или передвижном оборудовании. Низкий саморазряд; наименьшая стоимость среди перезаряжаемых батарей Надежные, относительно дешевые. Обычно используются в приложениях, где важны долгий срок службы, расширенный температурный диапазон и значительная мощность

Недостатки

Низкая энергетическая плотность. Должны храниться в заряженном состоянии

При разряде характерен резкий провал напряжения. Содержат токсичный кадмий, требующий переработки после окончания срока службы АБ Небольшой срок службы. Необходимо Высокая энергетическая плотность. интеллектуальное ЗУ. Стоимость NiMHОтсутствие эффекта резкого провала батареи больше, чем NiCd, но удельная напряжения стоимость в пересчете на Вт•ч такая же или ниже Высокая энергетическая плотность; мини- Дороже NiMH- и NiCd-батарей. Требуется мальный саморазряд. Нет эффекта провала схема защиты для удержания токов и напряжения напряжения в безопасном интервале Наибольшая энергетическая плотность. Высокая стоимость. Требуется схема защиРасширенный диапазон безопасных значеты для удержания токов и напряжения в ний токов и напряжений. Работа при высобезопасном интервале ких температурах Низкая энергетическая плотность по сравБольшой срок службы; высокая емкость нению с другими литий-ионными АБ

электронные компоненты  №2 2009

33 Мобильные технологии

Тип АБ


Таблица 2. Основные характеристики неперезаряжаемых АБ Тип АБ

Плотность энергии Напряжение, Гравиметрическая, В Объемная, Вт•ч/л Вт•ч/кг

Преимущества

Недостатки

Щелочные

1,5

125

400

Значительный срок хранения; невысокая стоимость

Малый диапазон рабочих температур; высокое внутреннее сопротивление

Литийдисульфидные

1,5

310

560

Меньшее, по сравнению с другими литиевыми Срок хранения до 15 лет; отличная емкость, батареями, напряжение. При транспортировке низкий саморазряд при температуре до –40°С необходимо выполнение специальных требований

Литий-диоксид марганцевые

2,9

240

500

Высокая энергетическая плотность; длительный срок службы; значительный диапазон рабочих температур

Литий-диоксид серные

2,8

265

400

Те же преимущества, что и у большинства При транспортировке необходимо выполнение специальных требований литиевых батарей — высокая емкость, работа при низких температурах

Литий-тионил хлоридные

3,6

520

1050

Очень высокая энергетическая плотность. Срок службы до 15—20 лет

Таблица 3. Основные характеристики литий-ионных батарей Материал катода

Преимущества

Литий-оксид кобальта (наиВысокая емкость более распространенный)

Мобильные технологии

34

Недостатки Малые токи заряда и разряда; высокая стоимость

Литий-окись марганца

Малое эквивалентное последовательное сопротивление ESR. Большие токи Небольшая емкость; малый срок службы заряда и разряда; большой диапазон рабочих температур

Фосфат лития (новый материал)

Очень малое ESR. Очень большие токи разряда и заряда; большой диапазон рабочих температур. Безопасны

обычно считают, что срок службы АБ истек, когда ее емкость составляет 80% от номинальной. Однако АБ можно использовать и после этого срока, при этом уменьшается время работы между подзарядками. Для исчисления срока службы иногда используют число циклов «заряд/разряд». Цикл заряда вызывает уменьшение активности материалов, составляющих АБ, и служит причиной изменения химического состава. В результате возрастает внутреннее сопротивление АБ, и возникают необратимые потери мощности. Последние могут происходить даже тогда, когда АБ не используется, и возрастают с увеличением температуры. При хранении АБ следует зарядить ее примерно на 40%. Потери мощности в АБ можно разделить на обратимые и необратимые. После полного заряда, в первые сутки, АБ теряет примерно 5% емкости, а затем 3% в месяц из-за саморазряда. Если в АБ встроена схема защиты, то к потерям следует прибавить еще 3%. Приведенные цифры характерны для температуры 20°С, при возрастании температуры возрастают и потери. Необратимые потери не могут быть возмещены в процессе эксплуатации и возникают, как правило, из-за высоких температур и количества циклов «заряд/разряд». При полностью заряженной АБ напряжением 4,2 В (для АБ с катодом из фосфата лития  — 3,6 В) возрастают изменения в ее химическом

www. elcp.ru

Малое напряжение разрядки; малое напряжение холостого хода; малая емкость

составе; поддержание АБ в полностью заряженном состоянии уменьшает срок ее службы. Изменения химического состава АБ начинаются уже при изготовлении, а затем прогрессируют из-за больших значений напряжения и температуры. Потери неизбежны, но их можно снизить посредством правильной зарядки-разрядки, эксплуатации и хранения. Используя цикл частичной разрядки, можно значительно продлить срок службы АБ. Для увеличения срока службы нельзя превышать максимально допустимые параметры, указанные изготовителем. Маркировка «С» на корпусе АБ означает, что максимальный ток разряда численно равен емкости АБ. Например, при емкости 2000 мА•ч максимальный ток разряда составит 2000 мА в течение часа. Минимальный ток заряда в этом случае будет равен С/10 или 200 мА. Для продления срока службы АБ следует соблюдать следующие условия [2]. – Использовать частичный разряд: перед зарядкой АБ должна быть разряжена до 20—30% емкости. Как правило, 5—10 циклов частичного разряда эквивалентно одному циклу полного разряда. – Избегать заряда АБ до емкости 100%. Надо заряжать до минимального напряжения холостого хода. Заряд до напряжения на 100 — 300 мВ ниже уровня максимального холостого хода увеличит срок службы батареи в 2—5  раз. Батареи с катодом из литий-оксида

кобальта наиболее чувствительны к повышенному напряжению заряда. – Избегать значительных токов заряда. Минимальный ток заряда также увеличивает срок службы АБ, хотя при этом может значительно возрасти время заряда. – Соблюдать температурный режим работы АБ. – Избегать значительных токов разряда. Для больших токов разряда следует выбирать батареи с литий-ионныммарганцевым и фосфат-литиевым катодами. – Не допускать глубокой разрядки АБ ниже 2 или 2,5 В (в зависимости от типа батареи). Большинство батарей имеет схему защиты, размыкающие выводы батареи при напряжении менее 2,5 или более 4,3 В. Способы заряда

Существуют два способа заряда АБ. При первом ток заряда составляет 0,5—1  С, заряд прекращается при достижении напряжения определенной величины. Время заряда при этом составляет примерно 2,5—3 ч и АБ заряжается на 100%. Второй метод требует контроля напряжения и тока заряда. До тех пор пока напряжение АБ не достигнет заданной величины, поддерживается постоянным ток заряда. Когда напряжение АБ достигает заданной величины (обычно напряжения холостого хода), ток заряда начинает плавно уменьшаться так, чтобы поддерживалось заданное напряжение.


Рис. 1. Заряд АБ в режиме «постоянный ток–постоянное напряжение»

Рис. 2. Зависимость срока службы АБ в циклах «заряд/разряд» и емкости АБ от напряжения заряда

36 Мобильные технологии

Рис. 3. Зависимость емкости АБ от напряжения холостого хода и числа циклов «заряд/разряд»

Рис. 4. Зависимость напряжения АБ от емкости при различных материалах анода

www. elcp.ru

Такой режим заряда иногда называют «постоянный ток — постоянное напряжение» (см. рис. 1). Уменьшение тока происходит до величины 0,05—0,1  С, при этом батарея заряжается примерно на 92—99%, и цикл заряда прекращается. Главный фактор, определяющий напряжение холостого хода АБ, это электрохимический потенциал используемых материалов (для лития примерно 4 В). Добавление компаундов может несколько увеличить или уменьшить эту величину. Не рекомендуется долго поддерживать напряжение холостого хода, после того как батарея зарядится — это способствует возрастанию необратимых потерь, а также может привести к внутреннему короткому замыканию и температурной нестабильности АБ. Некоторые литий-ионные АБ имеют встроенные термисторы для контроля температуры. Оптимальный вариант рабочих температур: 0…40°С. При выборе АБ следует найти оптимальное соотношение между напряжением холостого хода, емкостью АБ и сроком службы в циклах (см. рис.   2). Оптимальное напряжение заряда составляет 4,2 В — это наилучший баланс между емкостью батареи и сроком жизни (обычно примерно 500  циклов). Увеличить это число можно за счет уменьшения напряжения заряда, но при этом АБ заряжается не полностью. Зависимость емкости АБ от напряжения холостого хода и числа циклов «заряд/ разряд» показана на рисунке 3. В процессе разряда батареи напряжение медленно уменьшается. Примерные зависимости напряжения от заряда батареи для разных материалов анода приведены на рисунке 4. При наиболее популярном графитовом аноде напряжение батареи не меняется в диапазоне 20—80% заряда. Приведенные данные весьма приблизительны, и ввиду разного химического состава АБ они могут значительно отличаться. Даже схожие по химическому составу батареи разных производителей могут иметь разные количественные характеристики из-за второстепенных различий в используемых материалах и технологиях производства. Поэтому приведенные характеристики следует использовать для качественной оценки. При существующих технологиях без увеличения размеров АБ невозможно одновременно увеличить срок службы, исчисляемый в циклах «заряд/разряд» и время работы без подзарядки. Для увеличения продолжительности рабочего цикла батарею необходимо зарядить до 100%, например, 4,2 В ±1%. Но при таких условиях сокращается срок службы батареи в циклах. Уменьшение напря-


Рис. 5. Обобщенная схема микропроцессорного ЗУ

Рис. 6. Функциональная схема силовой части ЗУ с преобразователем топологии SEPIC

жения холостого хода на 100 мВ эквивалентно уменьшению емкости батареи до 85%, но удваивает срок службы в циклах. Иногда АБ соединяют параллельно. При этом необходимо, чтобы они были от одного производителя и имели одинаковые параметры.

ния, например, микропроцессорное ЗУ, как показано на рисунке 5 [4]. В этом случае может быть сформирована любая временная диаграмма заряда для любого типа АБ, а не только литийионных. Силовую часть ЗУ удобно строить в конфигурации SEPIC [5], при этом выходное напряжение может быть больше или меньше входного напряжения. На рисунке 6 показана упрощенная функциональная схема построения силовой части ЗУ. Средний ток через токочувствительный резистор в цепи вторичного дросселя равен среднему зарядному току, поэтому нет необходимости измерять ток непосредственно в цепи АБ. В качестве модуля ШИМ может быть использована как отдельная микросхема, так и встроенный в МК ШИМ. Если ЗУ используется в изделии, где АБ служит резервным источником питания, то в МК может быть реализована функция слежения за АБ: измерение напряжения (в т.ч. каждой ячейки, если

Литература 1. John Costa, Runtime and capacity dominate thinking in a battery market that's still learning chemistry. www.powermanagementdesignline. com/howto/210604098 2. Fran Hoffart, Proper Care Extends Li-Ion Battery Life. http://powerelectronics.com/ p o r ta b l e _ p o w e r_ m a n a g e m e nt / b a t te r y_ cha rg e r_ ic s /p ro p e r_ ca re _ e x te n ds- li- i o n battery-0425/ 3. Battery Chargers Catalog. http://focus. ti.com/lit/ml/slym069/slym069.pdf 4. Terry Cleveland Battery Charger Adapts to Multiple Chemistries. http://powerelectronics. com/portable_power_management/battery_ c h a rg e r_ i c s / b a t te r y_ c h a rg e r_ m u l t i p l e _ chemistries/ 5. Designing A SEPIC Converter. www.national. com/an/AN/AN-1484.pdf#page=1

37 Мобильные технологии

Зарядные устройства

Микросхемы зарядных устройств (ЗУ) производятся многими компаниями, некоторые из них названы в [4]. При относительно небольших зарядных токах силовые ключи могут быть встроены в микросхему. Если ЗУ проектируется только для одного типа АБ и предназначено для заряда АБ, которые являются единственными источниками питания в устройствах, то использование готовой микросхемы для проектирования ЗУ  — наилучшее решение. Если же проектируется универсальное ЗУ, или АБ служат резервным источником питания, то для построения ЗУ могут быть использованы и иные реше-

используется сборка АБ); измерение тока; контроль температуры; обеспечение безопасности эксплуатации  АБ  — поддержание в заданных безо­пасных пределах напряжения и тока.

электронные компоненты  №2 2009


ПЕРЕДАЧА ГОЛОСА ПО СЕТИ Wi-Fi С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИИ Single Stream 802.11n Нарасимхан Венкатеш (Narasimhan Venkatesh), ведущий разработчик архитектуры беспроводных систем, Redpine Signals В последнее время происходит бурное развитие беспроводных сетей, работающих на основе семейства стандартов IEEE 802.11 Wireless LAN. Глобальному распространению беспроводных сетей способствовали возможность их тестирования на функциональную совместимость и сертификация со стороны альянса Wi-Fi Alliance, благодаря чему термин Wi-Fi стал во многом взаимозаменяемым и равнозначным термину WLAN. Стандарт 802.11n обеспечивает повышенную пропускную способность сети и расширение рабочего диапазона устройств передачи голоса по сетям Wi-Fi. В статье подробно рассматриваются преимущества этого станд��рта, а также вопросы реализации мобильных устройств на его основе. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

мобильные ус тройс тва

38

По мере роста возможностей беспроводных сетей  — увеличения скорости передачи данных, совершенствования качества обслуживания (QoS) и появления режимов энергосбережения, WLAN стали неотъемлемой частью таких электронных устройств как мобильные телефоны, игровые устройства, музыкальные плееры, датчики и другие приборы бытовой техники. Одним из наиболее быстрорастущих приложений стала передача голоса по беспроводной сети Voice-over-Wi-Fi (VoWiFi). Альянс Wi-Fi Alliance, признавая значительный потенциал услуги VoWiFi, подготовил программу аттестации VoicePersonal, которая обеспечивает соблюдение основных требований технологии VoWiFi для беспроводных устройств в домашних сетях и в небольших офисах. Сертифицированная программа Voice-Personal, основанная на проверке рабочих характеристик сети, не только обеспечивает строгое соблюдение требований протокола и возможности функционального взаимодействия, но и учитывает потребности конкретного приложения. Эта программа появилась в июле 2008 г., и одним из первых продуктов, поддерживающих эту программу сертификации, стало Wi-Fi-решение компании Redpine Signals — Lite-Fi. В данной статье рассматриваются характеристики VoWiFi, влияющие на качество пользования этой услугой, обсуждаются требования к VoWiFi и описывается их реализация в VoWiFi-устройствах. Требования к VoWiFi

Традиционно речь передавалась по среде с установлением соединения с заданным временем ожидания и низкой

www. elcp.ru

интенсивностью ошибок. В сети WLAN к этим параметрам предъявляются особенные требования. С точки зрения пользователя, речевой вызов по WLAN должен быть подобен вызову по какойлибо альтернативной сети передачи голоса при соблюдении определенных требований. К их числу относятся следующие. Задержка. Для двустронней интерактивной голосовой связи требуется среда передачи, обеспечивающая ограниченное время задержки пакетов. Темп связи должен быть таким же, как и в разговоре двух собеседников. Типичное значение времени задержки в VoWiFiсети составляет 50 мс. Джиттер. Это разброс во времени получения пакетов. Несмотря на то, что на приемном конце находится буфер джиттера, требуется ограничение этого параметра. Потери пакетов. Протоколы, используемые для передачи голосовых пакетов, не обеспечивают механизма повторной передачи при их потере. Даже при его наличии этот механизм не был бы эффективным, поскольку нарушались бы требования к задержке времени повторно переданных пакетов. Конечно, WLAN-протокол обеспечивает попытку повторной передачи на MAC-уровне, и этот механизм позволяет предотвратить случайные ошибки, которые могут происходить даже в условиях хорошего качества каналов передачи. Ожидается, что VoWiFi-устройства позволят снизить потерю пакетов до нескольких процентов при среднем или хорошем состоянии каналов связи. Экономия энергии. На практике беспроводное устройство работает в режиме связи только часть време-

ни. Например, обычно беспроводной телефон используется один-два часа в течение суток. Однако это устройство должно быть в постоянной готовности принять вызов и обеспечить возможность позвонить. Исходная спецификация 802.11 предусматривает спящий режим клиентского устройства и его периодическое пробуждение для проверки наличия пакетов, ожидающих приема, но она не годится для голосовых вызовов, когда пакеты приходят каждые 20…30 мс. Стандарт 802.11e и Wi-Fi-сертификация стандарта WMM-PS предусматривают практическое использование энергосберегающих режимов, отвечая в то же время специфичным для голосовых вызовов требованиям, которые подробно описаны в данной статье. Рабочий диапазон. Для передачи голоса требуется ширина полосы, составляющая лишь малую долю частоты передачи данных в Wi-Fi-сети, однако это требование должно быть надежно обеспечено независимо от местонахождения абонентов. Таким образом, при реализации беспроводных клиентов на физическом уровне требуется обеспечить управление в условиях многоканальной связи и различных помех в достаточно удаленных сетях домов и офисов. Роуминг. Пользователь услуги VoWiFi, находящийся в большом офисе и ожидающий поступления вызова, может перемещаться в пределах действия своей точки доступа (ТД). Несмотря на то, что предприятия оснащены требуемым количеством ТД для обеспечения Wi-Fi-связи во всех его помещениях, переключение с одной точки на другую (роуминг) должно выполняться достаточно быстро, чтобы не нарушилось сое-


39

электронные компоненты  №2 2009


динение. Ниже подробно описываются механизмы обеспечения роуминга. Качество обслуживания (QoS), предусмотренное рассматриваемыми стандартами, позволяет удовлетворить перечисленным требованиям к характеристикам системы. Сертификация по требованиям WMM Альянса Wi-Fi Alliance подтверждает правильность реализации этих механизмов и дает возможность взаимодействия с другими сертифицированными клиентскими продуктами и точками доступа. Стандарт 802.11n способствует повышению пропускной способности, а также расширению диапазона. Расширение диапазона с помощью таких методов как пространственно-временное блочное кодирование (STBC) и формирование диаграммы направленности обеспечивает преимущества VoWiFi-устройств. Более важным обстоятельством является то, что единообразное использование 802.11n даже переносными устройствами приносит предприятию, на котором установлено оборудование этого стандарта, большую пользу, т.к. сохраняется его преимущество по пропускной способности. В следующих разделах мы подробно остановимся на вопросах функционирования клиентских VoWiFi-устройств в режиме малого потребления энергии и в условиях роуминга в пределах всего предприятия. Режимы энергосбережения

Телефоны VoWiFi могут быть автономными или интегрироваться в другие

мобильные ус тройс тва

40 Рис. 1. Обычный режим энергосбережения

устройства, например в сотовые или беспроводные телефоны. Во всех случаях эти устройства работают от аккумулятора, и продолжительность их работы зависит от уровня потребления энергии. Эти приборы могут функционировать в двух режимах, которые определяются уровнем энергопотребления. Первый используется в состоянии, когда телефон включен и находится в ожидании вызова. Потребляемая в этом режиме мощность определяет время, в течение которого это устройство находится в режиме ожидания. Второй режим используется во время активного звонка и определяет возможное время разговора. В этом разделе мы рассмотрим методы энергосбережения, предлагаемые стандартом 802.11, и их применимость в технологии VoWiFi. Обычный режим энергосбережения

Стандарт 802.11 позволяет станциям находиться в режиме энергосбережения и периодически пробуждаться для получения сигналов радиомаяка от точки доступа. ТД помещает в буфер пакеты станции, если последняя находится в режиме энергосбережения, и указывает на доступность ожидающих приема пакетов в кадре маяка. Станция после пробуждения получает и проверяет полученное сообщение от маяка на наличие ожидающих пакетов и возвращается в спящее состояние (режим энергосбережения), если эти пакеты не были обнаружены. В случае их обнаружения станция продолжает оставаться в активном состоянии и

отправляет кадр PS-POLL для того, чтобы извлечь из буфера все пакеты. Она переходит в спящий режим после получениия данных о том, что буфер пуст. Кроме того, ТД помещает в буфер шировещательные пакеты для станций в спящем режиме и передает их вслед за сообщениями маяка DTIM (Delivery Traffic Indication Message — сообщение с указанием о доставке трафика). Таким образом, станции должны выйти из спящего режима, чтобы получить эти сообщения и широковещательные пакеты. На рисунке 1 показаны профили активного состояния двух станций в режиме энергосбережения. VoWiFi-станция может переходить в этот режим в состоянии ожидания. Однако она выходит из данного режима с началом вызова, иначе пакеты будут доставляться с задержкой, например, в 100 мс при таком же интервале маяка, что неприемлемо для VoWiFi. Метод APSD

APSD (Automatic Power Save Delivery) — метод автоматического отключения мощности, появившийся в стандарте 802.11e. Он определяет процедуры U-APSD (un-scheduled APSD  — незапланированное автоматическое отключение мощности) и S-APSD (scheduled APSD  — запланированное автоматическое отключение мощности). APSD обеспечивает более эффективный способ извлечения буферизованных пакетов из ТД. Благодаря S-APSD все буферизованные пакеты доставляются на станцию в заранее объявленное время с учетом показателя телефонного обслуживания (TSF). Станция должна выйти из спящего режима и подготовиться к получению пакетов. В процедуре U-APSD станция должна отправить запускающий кадр, а точка доступа  — передать соответствующие разрешенные для приема кадры. В качестве запускающих кадров могут использоваться любые ожидающие пакеты или пустой пакет. Станция продолжает получать пакеты до тех пор, пока не получит кадр с установленным флагом EOSP. На рисунке 2 показан обмен кадрами в служебной процедуре U-APSD. Сертификация Wi-Fi WMM-PS включает и процедуру U-APSD. Станции VoWiFi могут использовать режим APSD во время вызова. Активное состояние настраивается исходя из скорости работы кодека. Современные модули WLAN, в т.ч. LiteFi компании Redpine, потребляют менее 20 мВт во время VoWiFi-вызова благодаря этим методам энергосбережения. Режим PSMP

Рис. 2. Обмен кадрами в служебной процедуре U-APSD

www. elcp.ru

Когда в сети несколько клиентов VoWiFi, применяется только процедура U-APSD, основанная на возникновении конфликтов в среде. По мере увеличения числа клиентов VoWiFi коллизии пакетов увеличиваются, что неблагоприятно дей-


Рис. 3. Обмен кадрами в режиме PSMP

ствует на требования QoS. Кроме того, станции приходится выходить из спящего режима и ожидать своей очереди обслуживания точкой доступа, что повышает энергопотребление. Режим PSMP (Power Save Multi Poll  — энергосберегающий множественный опрос), появившийся в предварительном варианте стандарта 802.11n, позволяет обойти эти трудности. В этом режиме ТД отправляет кадр PSMP, в котором сообщает временные интервалы в том и ином направлении для каждой станции. На рисунке 3 показан пример обмена кадрами в режиме PSMP. Метод MTBA (Multi-TID Block Ack), также представленный в стандарте 802.11n, используется вместе с режимом PSMP. В этом методе прием множества кадров с различными идентификаторами TID подтверждается одним кадром. Станция переходит в режим PSMP и, обладая информацией о временных интервалах, может вернуться в спящий режим, пока не поступят данные о временных интервалах в прямом и обратном направлениях. Следует заметить, что существуют некоторые издержки перехода в спящий режим и выхода из него, и не всегда оправдан переход в спящий режим на короткое время. Таким образом, основное преимущество режима PSMP про-

является, когда одновременно активны несколько клиентов VoWiFi. Роуминг

Роуминг, или передача обслуживания, является ключевым требованием, которое во многом определяет проектирование сетей, поддерживающих технологию VoWiFi. Мобильная станция нуждается в передаче обслуживания от одной точки доступа к другой при выходе из зоны покрытия базовой станции или при ухудшении текущих условий передачи данных. При переключении от одной ТД к другой работа приложения в самом худшем случае может прекратиться, что потребует его перезапуска после завершения этого переключения. В других случаях может нарушиться радиосвязь или возникнуть небольшая задержка в передаче пакетов. Приложения по передаче голоса рассчитаны на непрерывную работу, и даже задержка ожидающих очереди пакетов должна быть сведена к минимуму  — в идеальном случае до 50 мс и менее, чтобы мобильный абонент не заметил кратковременного ухудшения связи. Для поддержания непрерывной работы приложения при строгом соблюдении требований к таким основным параметрам связи как безопасность и энергосбере-

мобильные ус тройс тва

42

Рис. 4. Сценарий роуминга при перемещении абонента из А в С

www. elcp.ru

жение необходимо предусмотреть механизм интеллектуального роуминга для мобильной станции VoWiFi. Рассмотрим проблемы передачи обслуживания на типичном сценарии роуминга стандарта 802.11, проиллюстрированном на рисунке 4. Как показано на рисунке, пользователь мобильного устройства перемещается из точки А и подключается к ТД-1, т.к. это единственная точка внутри зоны покрытия. Затем он перемещается в точку С через В. Качество сигнала ТД-1 в В плохое по сравнению с ТД-2. В этой точке мобильное Wi-Fi-устройство должно обнаружить ТД-2 и плавно переключиться с ТД-1 на ТД-2, чтобы не прекратилась связь. Это переключение запускает следующие этапы, выполняемые мобильной станцией: – обнаружение ближайших ТД; – отключение связи с текущей ТД; – установление связи с новой ТД. Как правило, в нормальных условиях прохождения трафика процесс отключения в стандарте 802.11 выполняется менее чем за 1 мс. Однако на обнаружение ближайших точек доступа и установление связи с новой ТД, например в безопасном режиме, может потребоваться более 1 с. Эта задержка, разумеется, неприемлема для речевых приложений. На практике клиенты минимизируют время обнаружения и установления связи с ТД с помощью комбинации стандартных и фирменных методов, которые в т.ч. позволяют заблаговременно завершить большую часть задач роуминга. Стандарт IEEE определяет два метода обнаружения ТД: пассивное и активное сканирование. Однако он не описывает, как мобильная станция обнаруживает ТД в случае активной связи между ней и станцией. На рисунке 5 показано, что клиенты используют частные методы фонового сканирования для обнаружения доступных сетей по различным каналам, поддерживая при этом связь с текущей ТД. Этап 1. Клиент указывает текущей ТД, что собирается перейти в режим пониженного энергопотребления, отправляя пустой кадр с установленным битом PS.


ства) процесс повторного установления соединения требует дополнительного 4-стороннего квитирования, но не с помощью протокола 802.1x/EAP. На эти операции уходит дополнительное время, значение которого, как правило, укладывается в требования к VoWiFi. Усовершенствованный режим безопасности предприятия WPA/WPA2 включает наиболее затратную по времени аутентификацию 802.1x/EAP совместно с механизмом подтверждения соединения во время повторного установления связи. Как ранее указывалось, этот процесс может занять более 1 с, что неприемлемо для VoWiFi. Чтобы удовлетворить существующим требованиям, в стандарте IEEE используется предварительная проверка подлинности, с помощью которой клиент выполняет процесс 802.1x/EAP в отношении новой ТД через распределенную систему, прежде чем примет решение подключиться к этой ТД. Следовательно, при передаче обслуживания клиенту требуется лишь использовать механизм подтверждения соединения, чтобы получить ключ PTK от новой ТД. В результате клиент затрачивает то же время на роуминг, что и в случае фазовой модуляции. В перспективных методах роуминга станут использоваться механизмы готовящихся стандартов 802.11k и 11r. Стандарт 802.11k определяет количественные измерения текущей и соседних базовых станций таким образом, чтобы мобильная станция могла принять обоснованное решение перейти с одной базовой станции на другую, а 802.11r обеспечивает мобильную станцию стандартным методом быстрого перехода на базовую станцию, с тем, чтобы свести к минимуму время роуминга. Существуют

и собственные механизмы компанийразработчиков, способствующие ускорению этого процесса в режиме безопасности предприятия. Сертификация

Помимо Voice-Personal существует еще несколько программ сертификации, предлагаемых альянсом Wi-Fi Alliance для устройств VoWiFi. Сертифицированные продукты имеют явное преимущество за счет унифицированного взаимодействия с пользователем при различных сценариях. Требования к качеству обслуживания VoWiFi обеспечиваются технологией WMM, охватывающей классы передаваемых данных и приоритеты, присваиваемые каждому из них. WMM-PS позволяет продлить время работы устройства от батарей в процессе использования голосового или мультимедийного приложения. Механизм WPS (Wi-Fi Protected Setup — настройка защищенной беспроводной сети) облегчает настройку безопасности с помощью PIN-номера или кнопки на устройстве Wi-Fi. Как уже говорилось, программа Voice-Personal обеспечивает доставку голосовых данных хорошего качества по домашним Wi-Fiсетям, тогда как готовящаяся к выпуску сертификация Voice Enterprise будет использоваться с той же целью для офисных сетей. В тестовый пакет добавлены требования к роумингу и к безопасности предприятия, что обеспечит полноценное пользование услугой VoWiFi в офисах и общественных местах. Литература 1. Voice-over-Wi-Fi Implementation with Single Stream 802.11n. Narasimhan Venkatesh// www.portabledesign.com

43 мобильные ус тройс тва

Этап 2. Он переходит на другой канал. Этап 3. Он отправляет широковещательное тестовое сообщение, которое прочтут все ТД в диапазоне этого канала. Этап 4. Клиент составляет список базовых станций на основе одного или нескольких ответов на тестовое сообщение либо сообщений маяков, полученных от ТД в данном канале. Этап 5. Клиент переходит на прежний рабочий канал. Этап 6. Он извещает ТД о выходе из режима пониженного энергопотребления, отправляя пустой кадр с нулевым битом PS, и возобновляет передачу данных. Во время вызова VoIP у клиента имеется около 20 мс на выполнение фонового сканирования между передачей пакетов. Следовательно, если не все каналы были просканированы за указанное время, эту операцию потребуется повторить. Составив список ТД, клиент готов к роумингу. Решение об этом является прерогативой клиента. Разработчики клиентских устройств используют собственные запатентованные механизмы принятия решения о роуминге. При этом клиентские устройства среди прочих анализируют такие показатели как RSSI (Received Signal Strength Indicator — индикация уровня принимаемого сигнала), SNR (отношение сигнал/шум), частота повторных попыток передачи пакетов. Иногда проводится новое фоновое сканирование, если один из этих показателей принял критическое значение. Следующей важной задачей организации роуминга является установление связи с новой ТД. В зависимости от параметров безопасности точки доступа может потребоваться использование механизма протокола 802.1x/EAP (Extensible Authentication Protocol  — протокол расширенной проверки подлинности). ��тот механизм требует больших затрат времени. Наиболее простая проверка подлинности в соответствии со стандартом 802.1x выполняется с помощью метода LEAP (Lightweight EAP  — упрощенный EAP), применение которого занимает 100…1200 мс, в зависимости от состояния сети. Мобильная станция VoWiFi должна сократить это время до 50  мс и менее, чтобы удовлетворить требованиям голосового приложения. В режиме открытой системы нет необходимости в проверке подлинности 802.1x/EAP. В результате в этом режиме клиент выполняет роуминг менее чем за 20 мс с помощью механизма активного подключения. В режиме безопасности WPA/WPA2 Pre-Shared Key (Wi-Fi Protected Access — защищенный доступ Wi-Fi; Pre-Shared Key — предварительная установка разделяемых паролей на сетевые устрой-

Рис. 5. Механизм фонового сканирования

электронные компоненты  №2 2009


FDMA с одной несущей — новый восходящий канал LTE Янина Витакре, технический специалист, Agilent Technologies В статье рассматриваются характеристики физического уровня (уровня 1) восходящего канала LTE, описываются новая схема передачи SC-FDMA (множественного доступа с частотным разделением каналов и одной несущей) и некоторые связанные с ней измерения. Понимание этой новой схемы передачи и измерений является важным шагом на пути к разработке абонентских устройств LTE и продвижению их на рынок. Введение

Беспроводные технологии

44

В настоящее время во всем мире активно развивается третье поколение беспроводных коммуникационных систем на основе W-CDMA (широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов). Для обеспечения конкурентоспособнос­ ти этих систем в конце 2004 г. 3GPP (Партнерский проект 3-го поколения) инициировал создание проекта долгосрочного развития (LTE) сотовой технологии 3GPP. Технические характеристики LTE определены в «Выпуске 8» стандарта 3GPP. Учитывая, что развертывание первых систем предполагается начать к 2010 г., LTE создает надежную основу для развития сетей 3-го поколения и нацелен на решение следующих задач: – повышенная пиковая скорость передачи данных в сторону базовой станции до 86,4 Мбит/с в полосе 20 МГц с применением модуляции 64QAM (квадратурная амплитудная модуляция); – повышенная пиковая скорость передачи данных в сторону абонента до 172,8 Мбит/с в полосе 20 МГц с применением модуляции 64QAM и схемы 2×2 SU-MIMO (однопользовательская система с несколькими входами/выходами); – максимальная пиковая скорость передачи данных в сторону абонента до 326,4 Мбит/с с применением системы 4×4 SU-MIMO; – гибкое использование спектра с изменяемой шириной восходящего и нисходящего каналов в диапазоне 1,4…20 МГц; – повышенная эффективность исполь­зования спектра с выигрышем в 2—4  раза по сравнению с «Версией  6» HSPA (высокоскоростного пакетного доступа); – задержки менее 5 мс для небольших IP-пакетов; – оптимизированный прием для мобильных устройств, движущихся с небольшими скоростями 0…15 км/ч; более высокие скорости до 120 км/ч будут поддерживаться высокопроизводительными системами, способными

www. elcp.ru

работать на предельных скоростях до 350 км/ч; – сосуществование со старыми системами с одновременным развитием в сторону сетей, полностью работающих на основе IP-протокола. Радиоинтерфейс LTE

В системах LTE используются два основных метода дуплексной связи: дуплекс с частотным разделением (FDD) и дуплекс с временным разделением (TDD). Применяются и другие варианты, в т.ч. FDD с половинной скоростью. При этом интеграция режимов FDD и TDD в LTE значительно ближе, чем это было в UMTS. Схема передачи в сторону абонента использует множественный доступ с ортогональным делением частот (OFDM), а для передачи в сторону базовой станции применяется новая схема передачи, получившая название SC-FDMA. Эта новая схема объединила черты как традиционной схемы с одной несущей, так и схемы OFDM. OFDM и OFDMA

Технология OFDM известна с середины 1960-х гг. и в настоящее время применяется во многих беспроводных системах, не относящихся к сотовой связи, таких как цифровое телевещание (DVB), цифровое радиовещание (DAB), асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) и некоторые разновидности стандартов Wi-Fi 802.11. Применение OFDM в беспроводной мобильной связи сдерживалось по двум основным причинам. Первая заключается в том, что для выполнения необходимых быстрых преобразований Фурье (FFT) требуется достаточно большая вычислительная мощность. Однако непрерывное развитие технологий обработки сигнала привело к тому, что эту причину уже нельзя считать препятствием на пути внедрения OFDM, и теперь эта технология образует основу нисходящего канала LTE. Другим фактором, сдерживающим применение OFDM в мобильных системах, были присущие этой технологии сигналы с высоким отношением пикового значения к

среднему (PAR), которые порождаются параллельной передачей нескольких сотен близко расположенных поднесущих. Для мобильных устройств сигналы с большим PAR создают целый ряд проблем, связанных с конструкцией усилителя мощности и потреблением энергии от батарей. Именно поэтому 3GPP остановился на новой схеме передачи SC-FDMA. Множественный доступ в нисходящем канале LTE достигается за счет применения тщательно доработанной версии OFDM, получившей название множественного доступа с ортогональным разделением частот (OFDMA). Данный метод позволяет закреплять отдельные поднесущие за разными пользователями. Это облегчает обслуживание многих абонентов, работающих с низкими скоростями, а также позволяет использовать частотные скачки для смягчения эффектов узкополосного многолучевого распространения. SC-FDMA

SC-FDMA представляет собой гибридную схему передачи, которая сочетает низкие значения PAR, присущие системам с одной несущей, таким как GSM и CDMA, с большой длительностью символа и гибким распределением частот OFDM. Принципы генерации сигнала SC-FDMA показаны на рисунке  1, который является фрагментом одного из рисунков отчета 3GPP TR 25.814 об исследовании физического уровня LTE. В левой части рисунка 1 символы данных представлены во временной области. Символы преобразуются в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье и затем, в частотной области, они распределяются в нужные места общего спектра несущей. Затем их требуется снова преобразовать во временную область, чтобы перед передачей добавить к ним циклический префикс. Альтернативное название технологии SC-FDMA  — распределенная OFDM с дискретным преобразованием Фурье (DFT-SOFDM).


Рис. 1. Генерация сигнала SC-FDMA

Рис. 2. Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDMA и SC-FDMA

Рис. 3. Создание символа SC-FDMA во временной области

Беспроводные технологии

46 Рис. 4. Представление символа SC-FDMA в полосе модулирующего сигнала и со сдвигом по частоте

Альтернативное описание этой технологии приведено на рисунке 2, где в частотной и временной областях показано, как OFDMA и SC-FDMA передают последовательность из восьми символов QPSK. В этом упрощенном примере число поднесущих (M) было сокращено до четырех. Для OFDMA четыре (M) символа обрабатываются параллельно, причем каждый из них модулируется собственной поднесущей с соответствующей фазой QPSK. Каждый символ

www. elcp.ru

данных занимает полосу 15 кГц на время передачи одного символа OFDMA, которое равно 66,7 мкс. В начале следующего символа OFDMA вставляется защитный интервал, содержащий циклический префикс (CP). CP представляет собой копию конца символа, добавленную к началу символа. Благодаря параллельной передаче, символы данных имеют ту же длину, что и символы OFDMA. В случае SC-FDMA символы данных передаются последовательно. Поскольку в данном примере используются четыре поднесущих, за один период символа SC-FDMA передаются четыре символа данных. Период символа SC-FDMA имеет ту же длину, что и символ OFDMA, т.е. 66,7 мкс, но благодаря последовательной передаче символы данных получаются короче, т.е. равными 66,7/M мкс. В связи с повышением скорости следования сим-

волов для их передачи требуется более широкая полоса. В результате каждый символ занимает в спектре 60  кГц, а не 15 кГц, как было в случае более медленных символов, используемых в OFDMA. После передачи четырех символов данных вставляется CP. В продолжение графического сравнения OFDMA и SC-FDMA на рисунках 3 и 4 показан детальный процесс генерации сигнала SC-FDMA. Сначала создается представление последовательности символа данных во временной области, как показано на рисунке 3. В данном примере с четырьмя поднесущими для генерации одного символа SC-FDMA требуются четыре символа данных. Используя первые четыре цветных символа QPSK (см. рис. 2), процесс создает один символ SC-FDMA во временной области, рассчитывая траекторию, переходящую от одного символа данных QPSK к другому. Это делается со скоростью в M раз выше скорости символов SC-FDMA, так что в результате один символ SC-FDMA содержит M последовательных символов данных QPSK. Чтобы не усложнять рассмотрение, мы не будем обсуждать фильтрацию переходов между символами, хотя в любой реальной схеме такая фильтрация обязательно присутствует. После создания IQ-представления одного символа SC-FDMA во временной области следующим шагом является представление его в частотной области с помощью дискретного преобразования Фурье (DFT; см. рис. 4). Частота дискретизации DFT выбирается таким образом, чтобы форма одного символа SC-FDMA во временной области полностью представлялась M бинами DFT, отстоящими друг от друга на 15 кГц, причем каждый бин представляет одну поднесущую с постоянной амплитудой и фазой в течение одного периода символа SC-FDMA равного 66,7 мкс. При этом всегда существует однозначное соответствие между числом символов данных, передаваемых за один период символа SC-FDMA, и числом создаваемых бинов DFT, которое, в свою очередь, равно числу занимаемых поднесущих. Это достаточно логично: с ростом числа символов данных, передаваемых за один период SC-FDMA, сигнал во временной области изменяется быстрее, что приводит к расширению полосы и, следовательно, требует большего числа бинов DFT для полного представления сигнала в частотной области. Стойкость к многолучевому распространению

Теперь самое время задать вопрос: «Как же может SC-FDMA сохранить стойкость к многолучевому распространению при столь коротких символах данных?». В OFDMA модулирующие символы данных остаются постоянными в тече-


Рис. 5. Упрощенная модель генерации и приема SC-FDMA

это то, что сигнал, преобразованный из частотной области обратно во временную область, представляет собой ни что иное, как смещенную по частоте версию последовательности символов QPSK. Данный пример демонстрирует основную причину создания SC-FDMA, а именно, PAR конечного сигнала не превышает PAR исходных символов данных, которые в данном случае являются символами QPSK. Это существенно отличается от OFDMA, где параллельная передача тех же символов QPSK создает статистические пики, очень похожие на Гауссовский шум, которые значительно превышают PAR исходных символов данных. Ограничение PAR с помощью SC-FDMA существенно снижает потребность в том, чтобы мобильное устройство работало с высокими пиками мощности. Это снижает и затраты, и энергопотребление. Структура физического уровня

Физический уровень LTE состоит из двух типов сигналов, известных как физические сигналы и физические каналы. Физические сигналы генерируются на уровне 1 и используются для синхронизации системы, идентификации ячейки и оценки радиоканала. Физические каналы служат для передачи данных, поступающих с более высоких уров-

ней, включая управление, расписание и полезные данные. В таблице 1 показаны физические сигналы и каналы восходящего соединения. Структура фрейма восходящего соединения

В восходящем соединении используются две структуры фрейма, одна для FDD типа 1 и другая — для FDD типа 2. Фрейм типа 1 имеет длительность 10  мс и состоит из десяти субфреймов, каждый из которых занимает два слота по 0,5 мс. На рисунке 6 показано распределение DMRS и PUSCH по структуре фрейма. Число символов в слоте зависит от длины CP. Для нормального CP в каждом слоте содержится семь символов SC-FDMA. Для расширенного CP, который используется при большом разбросе задержки, в каждом слоте содержится шесть символов SC-FDMA. Опорные сигналы демодуляции передаются в четвертом символе каждого слота (т.е. в символе с номером 3). PUSCH может передаваться в любом другом слоте. На рисунке 7 показана структура фрейма 1 в частотной и временной областях. Каждый вертикальный столбик представляет одну поднесущую. Передачи сгруппированы в блоки, называемые блоками ресурсов (RB), которые состоят из 12-ти соседних

Таблица 1. Сигналы и каналы восходящего соединения Сигналы восходящего Полное наименование соединения DMRS SRS

Назначение

Используется базовой станцией для синхронизации Опорный сигнал (демодуляция) с абонентским оборудованием и для оценки канала восходящего соединения. Связан с PUCCH или PUSCH Используется для оценки канала при отсутствии Опорный зондирующий сигнал PUCCH или PUSCH

Каналы восходящего Полное наименование соединения Физический канал произвольPRACH ного доступа Физический управляющий PUCCH канал восходящего соединения Общий физический канал восPUSCH ходящего соединения

Назначение Установка соединения Расписание, ACK/NACH Полезные данные

электронные компоненты  №2 2009

47 Беспроводные технологии

ние периода символа OFDMA равного 66,7 мкс, тогда как символ SC-FDMA меняется со временем, поскольку содержит M коротких символов данных. Стойкость к многолучевому распространению процесса демодуляции OFDMA обусловлена большой длиной символов данных, которые накладываются непосредственно на отдельные поднесущие. К счастью, стойкость к разбросу задержки обусловлена именно постоянной природой каждой поднесущей, а не постоянством символов данных. Как показано выше, DFT изменяющегося во времени символа SC-FDMA создает набор бинов DFT, постоянных в течение символа SC-FDMA, несмотря на то, что модулирующие символы данных при этом изменяются. В этом и заключается основное свойство процесса DFT, что изменяющийся во времени символ SC-FDMA, состоящий из M последовательных символов данных, представляется в частотной области M не меняющимися во времени поднесущими. Таким образом, даже SC-FDMA с присущими ему короткими символами данных обладает достаточной стойкостью к многолучевому распространению. На рисунке 2 все поднесущие SC-FDMA показаны с одной и той же амплитудой, но в реальных условиях каждая поднесущая имеет свою амплитуду и фазу в течение каждого символа SC-FDMA. Теперь для завершения генерации сигнала SC-FDMA выполняются те же операции, что и для OFDMA. Обратное БПФ преобразует смещенный по частоте сигнал во временную область, а затем добавление CP обеспечивает свойственную OFDMA фундаментальную стойкость к многолучевому распространению. Рисунок 5 иллюстрирует близкую взаимосвязь между SC-FDMA и OFDMA. Оранжевые блоки показывают обработку OFDMA, а синие блоки представляют дополнительную обработку во временной области, необходимую для SC-FDMA. Главное, что следует отметить,


Рис. 6. Структура фрейма 1 для восходящего соединения, показывающая распределение DMRS и PUSCH

Рис. 7. Структура фрейма 1 для восходящего соединения, показывающая зависимость одного субфрейма от частоты

Беспроводные технологии

48

поднесущих длительностью 0,5 мс. Кроме DMRS и PUSCH на рисунке показан PUCCH, который всегда привязан к крайнему RB в полосе канала, причем в каждом следующем слоте он попеременно привязывается либо к самой нижней частоте, либо к самой верхней. Обратите внимание, что одному абонентскому устройству выделяется диапазон частот, который, как правило, уже полосы системы. Это связано с тем, что число привязанных RB пропорционально скорости передачи, которая не всегда равна максимальному значению. DMRS передается только в полосе, закрепленной за PUSCH и PUCCH, в отличие от опорных сигналов нисходящего соединения, которые всегда

www. elcp.ru

передаются во всей полосе канала, даже если канал занят не полностью. Если базовой станции нужно оценить состояние восходящего канала при отсутствии передачи управляющих или полезных данных, она выполняет привязку сигнала SRS, который не зависит от PUSCH и PUCCH. PUSCH может применять модуляцию QPSK, 16QAM или 64QAM. PUCCH использует только модуляцию QPSK, а DMRS — BPSK с поворотом на 45°. Анализ сигнала SC-FDMA

На рисунке 8 показаны некоторые измерения типичного сигнала SC-FDMA, которые можно выполнять с помощью программного обеспечения векторного

анализатора сигналов Agilent 89601A. Сигнальное созвездие IQ в окне A (слева вверху) показывает, что это сигнал 16QAM. Единичный круг представляет собой DMRS, появляющийся с каждым седьмым символом, который модулирован по фазе с помощью ортогональной последовательности Задова-Чу. Окно B (слева внизу) показывает зависимость мощности сигнала от частоты. Шкала частот выражена в 15-кГц поднесущих, пронумерованных от –600 до 599, которые представляют полосу 18 МГц или 100 RB. Следовательно, номинальная ширина канала составляет 20 МГц, и для передачи сигнала выделено 5 МГц в нижней части спектра. Коричневые точки представляют мгновенную амплитуду поднесущей, а белые точки — усреднение в интервале 10  мс. Выброс в центре окна представляет собой утечку гетеродина  — смещение IQ. Большое изображение справа является артефактом OFDM, намеренно созданным с помощью разбаланса усиления IQ на 0,5 дБ. Утечка гетеродина и мощность нераспределенных поднесущих ограничиваются спецификациями 3GPP. Окно C (вверху в центре) показывает сводку измеренных дефектов, включая амплитуду вектора ошибки (EVM), ошибку по частоте и смещение IQ. Обратите внимание, что EVM данных при 1,15% значительно выше, чем EVM DMRS при 0,114%. Это связано с увеличением мощности данных на +0,1 дБ (что видно в окне  E), который в данном примере игнорируется приемником, чтобы создать EVM для конкретных данных. Заметьте также, что зарегистрировано


Рис. 8. Анализ сигнала 16QAM SC-FDMA

ку этот параметр зависит от скорости передачи данных. PAR для OFDMA всегда выше, чем для SC-FDMA даже для узкополосных распределений. Однако с ростом скорости передачи данных и, соответственно, с расширением занимаемой полосы, PAR для SC-FDMA остается постоянным, а для OFDMA ухудшается и приближается к Гауссовскому шуму. Сигнал OFDMA с полосой 5 МГц и модуляцией 16QAM очень похож на Гауссовский шум. По белой кривой видно, что при уровне вероятности

0,01% сигнал SC-FDMA на 3  дБ лучше синей эталонной Гауссовской кривой, а каждому разработчику усилителей хорошо известно, что снижение пиковой мощности даже на 0,1 дБ является значительным улучшением. Литература 1. Долговременное развитие радиотехнологии 3GPP//www.3gpp.org/Highlights/LTE/ LTE.htm. 2. Спецификации LTE серии 36//www.3gpp. org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm

49 Беспроводные технологии

увеличение мощности DMRS на +1 дБ, которое наблюдается также на сигнальном созвездии IQ, потому что единичный круг не проходит через восемь точек 16QAM. Окно D (внизу в центре) показывает распределение EVM по поднесущим. Среднее и пиковое значение EVM распределенного сигнала соответствует значениям окна  C. EVM для нераспределенных поднесущих имеет существенно большее значение, хотя этот дефект будет описан в новых требованиях к «внутриполосным излучениям» как отношение мощностей распределенных RB и нераспределенных RB. Для данного сигнала это отношение равно примерно 30 дБ, как видно в окне B. Синие точки в окне D также показывают EVM для DMRS, значение которой очень мало. Окно E (справа вверху) показывает измерения EVM, выполненные для разных типов модуляции в ходе одного захвата. Этот сигнал использует только DMRS с фазовой модуляцией и модуляцией 16QAM, поэтому результаты для QPSK и 64QAM отсутствуют. И, наконец, окно  F (справа внизу) показывает PAR  — главный параметр SC-FDMA  — в виде комплементарной интегральной функции распределения (CCDF). Преимущества параметра PAR для SC-FDMA по сравнению с OFDMA нельзя выразить одним показателем, посколь-

электронные компоненты  №2 2009


Применение расширителей дальности CC2590-91 от компании Texas Instruments Владимир Нестеров, инженер, ЗАО «КОМПЭЛ» Номенклатура беспроводных решений компании Texas Instruments хорошо известна российским разработчикам. Она включает в себя как микросхемы отдельных трансиве­ ров, так и объединенных решений микропроцессор + тран­ сивер. При создании устройств с увеличенным радиусом действия разработчик был вынужден использовать микро­ схемы и транзисторы других производителей, что услож­

Рис. 1. Структурная схема расширителей дальности CC2590/91

50 Рис. 2. Демонстрационный комплект CC2430-CC2590/91EMK

няло процесс проектирования и требовало от инженера практических навыков проектирования подобных высоко­ частотных приборов. И вот в конце 2008 г. компания Texas Instruments выпу­ стила на рынок собственные микросхемы расширителей дальности СС2590/91 для диапазона 2,4 ГГц, которые легко согласуются с существующими радиочастотными решения­ ми. Обе микросхемы содержат встроенный малошумящий усилитель и усилитель мощности. CC2590 имеет усилитель мощности, способный повысить мощность сигнала до 14 дБм, СС2591 — до 22 дБм. Структурная схема микросхем представлена на рисунке 1. Как видно из рисунка, внутри параллельно стоят уси­ литель мощности с малошумящим усилителем, которые высокочастотными ключами попеременно подключают­ ся внутренней логикой к выходной антенне через согла­ сующий трансформатор. Применение в микросхемах малошумящих усилителей позволило на 6 дБ улучшить показатель чувствительности для микросхем СС24xx и СС25xx. Краткие технические характеристики микросхем пред­ ставлены в таблице 1. Компания Texas Instruments выпускает ряд демонстра­ ционных средств и средств разработки для этих микро­ схем: СС2590EM, СС2591EM, CC2430-CC2590EMK, CC2430CC2591EMK (см. рис. 2, 3). СС2590-91EM представляет собой плату, на которой смонтирована микросхема расширителя дальности с цепями согласования, разъемами для управления и для установки в отладочную плату SmartRF04EB, SmartRF05EB или переходную батарейную плату от Texas Instruments. Принципиальную схему платы, гербер-файлы, а также спецификацию можно посмотреть, скачав образец дизайна CC2590/91EM Reference Design с сайта Texas Instruments. Микросхема расширителя дальности имеет 200-Ом дифференциальный высокочастотный вход для легкого сопряжения с аналогичными входами микросхем, поэтому на демонстрационном модуле установлен транс­ форматор, который согласует сопротивление в стандарт­ ные 50 Ом. В состав демонстрационного комплекта CC2430CC2590/91EMK входят две платы со смонтированными на них трансиверами CC2430, расширителями дальности, обвязкой и антеннами. К платам этого комплекта также Табл. 1. Краткие технические характеристики микросхем CC2590/91

Рис. 3. Демонстрационный модуль СС2590/91EM

WWW.ELCP.RU

Параметр СС2590 СС2591 Максимальная выходная мощность, дБм +14 +22 Потребляемый ток в режиме передачи 22 мА при выходной 112 мА при выходной при напряжении питания 3 В мощности 12 дБм мощности 20 дБм Коэффициент шума малошумящего уси4,6 4,8 лителя, включая цепь коммутации, дБ 3,4 в режиме HIGH Потребляемый ток в режиме приема, мА 1,7 в режиме LOW Потребляемый ток в спящем режиме, нА 100


Рис. 4. Типовая принципиальная схема подключения CC2520 к CC2590/91

предлагается образец раработки CC2430-CC2590/91 EM Reference Design, который можно скачать с сайта Texas Instruments. Эти платы устанавливаются в отладочную плату SmartRF04EB, которая может входить во многие отла­ дочные комплекты от Texas Instruments. Для того чтобы на практике качественно оценить преимущество использова­ ния расширителей дальности в платы демонстрационного комплекта можно прошить с помощью Smart RF Studio программу PER test. Кроме того, с сайта компании Texas Instruments можно скачать файл образца разработки CC2520-CC2591EM Reference Design, в котором имеется схема подключе­ ния трансивера CC2520 к СС2590/91, гербер-файлы и спецификация. Для подключения CC2520 к СС2590/91 необходимо очень малое число внешних компонентов. Типовая принципиальная схема подключения приведена на рисунке 4. Рассмотрим некоторые важные аспекты этого подключения. Для получения лучших характеристик необходимо правильно осуществить развязку по питанию. На рисун­ ке 4 показаны только развязывающие конденсаторы для СС2591. Параллельные конденсаторы С11/C12, С101/С102, С131/С132 совместно с линиями передачи печатной платы (ПП) TL11, TL101 и TL131 работают как фильтр по питанию, что обеспечивает оптимальное функционирование CC2591. Конденсатор С161 развязывает напряжение смещения AVDD_BIAS. Расположение и размер развязывающих конденсаторов, фильтрующих конденсаторов и линий передачи ПП играют очень важную роль для достижения лучших параметров. Компания Texas Instruments рекомендует придерживаться такой же топологии, как в соответствующем образце раз­ работки. Трансивер СС2520 имеет высокоомный радиочастотный вход/выход. Внутри микросхемы СС2590/91 расположен согласующий трансформатор и цепи согласования, что делает подключение СС25920 к СС2590/91 очень про­ стым — требуется только конденсатор С24 для лучшего согласования. Необходимо понимать, что линии переда­ чи ПП, соединяющие СС2520 и СС2590/91, сами являются частью цепей согласования, поэтому очень важно соблю­ дать их длину, расположение элементов и топологию ПП так, как это сделано в образце разработки для достижения наиболее оптимального режима работы.

Цепочка С111, С112, L111, C113, L112 согласовывает выход СС2590/91 с 50-Ом антенной и обеспечивает фильтрацию для выполнения требований по излучению. С112 также обе­ спечивает развязку по постоянному току. Резистор R151 используется для задания тока смещения для внутренних нужд СС2590/91. Образец разработки Texas Instruments содержит две антенные опции. По умолчанию SMA-разъем соединен с согласующим трансформатором через 0-Ом резистор. Этот резистор можно перепаять и повернуть на 90°. В этом случае к согласующему трансформатору подключается уже имеющаяся перевернутая F-антенна. Texas Instruments предоставляет описание дизайна этой антенны (см. сайт производителя). В образце разработки используется четырехсторонняя печатная плата толщиной 1,6 мм, у которой разные слои имеют различную толщину. Это необходимо для получения лучших рабочих параметров, поэтому следует придержи­ ваться рекомендаций, содержащихся в образце разработки. На верхнем слое расположены компоненты и сигнальные цепи, открытые области залиты металлизацией и соединены с землей несколькими переходными отверстиями. Области под микросхемами должны быть тоже залиты металлизаци­ ей и соединены с землей переходными отверстиями. Второй слой представляет собой сплошную землю, и на нем отсутствуют сигнальные цепи. Так сделано для того, чтобы уменьшить пути обратных токов. Низкое сопротивле­ ние этого слоя предотвращает возникновение паразитных связей между выводами, которые на него развязаны. Третий слой — это слой питающих цепей, который обеспечивает низкое сопротивление цепей на радиочастоте и предот­ вращает нежелательное излучение через цепи питания. Четвертый слой используется для сигнальных цепей, как и первый. Открытые области также должны быть залиты металлизацией и соединены с землей несколькими пере­ ходными отверстиями. Изменение взаимного расположения слоев, номиналов компонентов, компаний-поставщиков электронных компо­ нентов, размеров и расположений цепей могут вызывать значительные изменения в параметрах работы совместного решения CC2520 и СС2591. Любое изменение может вызвать повышенное потребление тока, паразитные возбуждения, нежелательные внеполосные излучения и общее ухудшение параметров. По этим причинам следует как можно ближе

электронные компоненты №2 2009

51


Рис. 5. Приближенная модель влияния паразитных емкостей и индуктивностей на усилителе CC2591

следовать образцу разработки, предложенному Texas Instruments. При использовании среднего слоя — земли — индук­ тивность между ним и земляными площадками на сиг­ нальных слоях увеличивает положительную обратную связь. В результате могут возникать паразитные возбуж­ дения. Не существует общих правил, позволяющих определить, какая индуктивность создает эти возбужде­ ния — это зависит от дизайна. Однако существует общее эмпирическое правило: чем меньше радиочастотные то­ки, тем меньше шансов возникновения паразитных возбуждений. Поэтому требование устойчивости явля­ ется главной причиной применения четырехслойной

платы и расположения земляного слоя как можно ближе к верхнему. Отклонение от рекомендованного дизайна может вызвать изменение коэффициента усиления СС2591. Это происходит потому, что коэффициент усиления является функцией как собственной индуктивности и сопротивления усилителя, так и внешнего импеданса. Внутренние связи и емкости, связи кристалла с корпусом, линии передачи ПП, емкости термо­ барьеров на земляных ножках развязывающих конденсаторов, паразитная емкость развязывающих конденсаторов, индуктив­ ность переходных отверстий земляного слоя и экранирова­ ние кристалла влияют на параметры СС2591. Приближенная модель этого влияния представлена на рисунке 5. Можно сделать следующие выводы о том, как влияют паразитные емкости и индуктивности на рабочие параметры: – перемещение развязывающих конденсаторов или использование случайного конденсатора изменяет величи­ ну паразитной индуктивности и, следовательно, изменяет резонансную частоту усилителя, т.е. частоту максимального усиления; – плохая пайка земляных ножек может значительно уменьшить коэффициент усиления; – слишком большое или слишком малое количество переходных отверстий по сравнению с их количеством в образце разработки может значительно уменьшить коэффи­ циент усиления. Использование образцов разработки существенно упро­ щает работу инженера при проектировании СС2590/91, но при этом следует понимать, что заявленные характеристики могут быть получены только в случае четкого следования рекомендациям производителя. По техническим вопросам и вопросам поставки продукции Texas Instruments обращайтесь в «КОМПЭЛ» (www.compel.ru) по тел. (495) 995-0901 или по эл. почте ti@compel.ru.

Новости мобильных технологий

| Мобильный телефон станет «электронным кошельком» |  На выставке Mobile World Congress-2009 компании Inside Contactless и Qualcomm объявили о начале совместной работы над телефонами с поддержкой NFC (near field communication — связь в ближней зоне). Технология NFC обеспечивает беспроводную передачу данных на частоте 13,56 МГц. Она уже применяется в некоторых устройствах, но пока не появилась на массовом рынке. По ожиданиям разработчиков, технология NFC сделает из сотового телефона полноценный терминал мобильной оплаты, причём появится возможность не только погашать счета, но и осуществлять покупку электронных билетов в театры, кино, на самолёт, оплачивать бензин и т.п. Для этого с помощью аппарата происходит списывание средств с банковского или виртуального счёта либо с кредитной карты владельца. Первые модели Inside Contactless с поддержкой NFC появятся уже в середине 2009 г. Однако уже сейчас у неё появляются конкуренты в лице Nokia и ViVOtech, которые также активно инвестируют в развитие новой технологии. www.russianelectronics.ru

52

| Смартфоны открывают путь к спасению | В отличие от многих других устройств, смартфоны уверенно держат позиции на рынке. По прогнозу аналитиков Forward Concepts, в текущем году рост поставок смартфонов составит 13%, а объём поставок достигнет 164 млн ед. На фоне рынка в целом это высокий показатель. Компания Apple, занимающая третье место среди лидеров по производству смартфонов, в IV кв. 2008 г. увеличила продажи на 6%. На первых местах расположились Nokia и RIM. Тем не менее даже у лидеров не всё обстоит благополучно. Так, Nokia в последней четверти 2008 г. понесла большие потери, чем ожидалось. Руководство компании намерено сократить поставки на 10% и перенести приоритет на продажу самых передовых смартфонов, таких как 5800 XpressMusic. Что касается RIM, то её последний отчёт по 2008 г. ещё не вышел, поскольку фискальный квартал кончается 27-го февраля. Однако по итогам III кв. (по состоянию на 29-ое ноября) можно констатировать 8-% рост по сравнению с пре­дыдущим периодом. Продажи BlackBerry выросли на 14% и достигли 21 млн ед. Смартфоны пользуются успехом, поддерживая спрос на комплектующие. По сравнению с предыдущим годом, доходы Synaptics выросли на 43% в IV кв. и достигли 141,5 млн. долл. Некоторые компании, такие как Skyworks Solutions и Linear Technology, пока держатся на плаву, однако ожидают спад в текущем году. Другие (Samsung Electronics, Wolfson Microelectronics, Silicon Storage Technology) уже терпят убытки. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


Транскодирование аудио- и видеоданных для бытовой электроники Тим Саймерли (Tim Simerly), специалист по архитектуре видеосистем, компания Texas Instruments Обмен информацией между устройствами домашней сети или портативными мобильными устройствами должен обеспечиваться таким образом, чтобы любой контент мог просматриваться на устройствах в любое время и разными пользователями. Эту задачу решают специальные адаптивные устройства, основные функции которых, реализованные в виде одной системы на кристалле с использованием процессоров семейства DaVinci производства Texas Instruments, рассматриваются в этой статье. 3. Транскодирование как решение проблем несовместимости форматов сжатия данных, разрешения экранов дисплеев, объема памяти и вычислительной мощности различных устройств. Архитектура «клиент-сервер» в среде AV-медиаконтента

В типичном клиент-серверном приложении для AV-медиаконтента происходят детерминированные процессы, например, с использованием Ethernet, USB, FLASH, AV-демультиплексора и AV-мультиплексора либо недетерминированные процессы, такие как захват и отображение видеоданных, захват и воспроизведение аудиоданных, а также декодирование и кодирование видеои аудиоданных. Недетерминированные процессы являются апериодическими, детерминированные — периодическими. С точки зрения архитектуры, недетерминированные и детерминированные процессы не следует смешивать. В идеале хост-процессор должен обрабатывать детерминированные процессы с помощью цифрового сигнального процессора (ЦСП), действующего в качестве сопроцессора и выполняющего детерминированные операции, которые требуют большего объема вычислений. Общая производительность системы с такой архитектурой высока, поскольку недетерминированные процессы не нарушают процессов ЦСП. Эта архитектура становится еще более привлекательной при возрастании числа процессов, в особенности в приложениях для видео высокого разрешения, либо при необходимости кодирования видеоданных. Для поддержки таких архитектур компания TI разработала семейство цифровых сигнальных процессоров DaVinci. На рисунке 1 изображена блоксхема устройства DM6446 из семейства DaVinci, оснащенного ядром ARM926 и ЦСП C64x.

В однокристальной системе, созданной по технологии DaVinci, внутренний ЦСП выполняет детерминированные процессы, освобождая ядро ARM для обработки недетерминированных процессов. Гибкая архитектура ЦСП обеспечивает работу транскодера, позволяя достичь очень хорошего соотношения цены и производительности. Благодаря ЦСП, выполняющему алгоритмически сложную задачу поддержки различных форматов сжатия данных, достигается необходимый уровень программируемости для адаптации будущих форматов сжатия данных и обновлений программного обеспечения. Адаптивные сетевые протоколы

Хотя самым распространенным сетевым интернет-протоколом является HTTP, он не очень хорошо приспособлен для передачи временного контента с привязкой по времени или по индексу кадра. Протокол RTSP, с другой стороны, поддерживает несколько рабочих состояний и способен обрабатывать AV-контент с временными и кадровыми индексами. После соединения с AV-медиаконтентом протокол RTSP проходит несколько стадий по мере того, как клиент делает запросы воспроизведения, паузы, останова и окончания сеанса. Хотя протокол RTSP лучше, чем HTTP, приспособлен к потоковой передаче AV-медиаконтента, он более сложен, особенно с учетом всех режимов, которые он поддерживает. В частности, одним из режимов RTSP является работа с чередованием, при которой файлконтейнер может передаваться без анализа структуры и без необходимости открывать какие-либо панели RTP/RTCP. Чтобы помочь решить проблему несовместимости сетевых протоколов межотраслевая группа Digital Living Network Alliance (DLNA) утвердила пакет общих технических рекомендаций. Например, все DLNA-совместимые изделия должны поддерживать протокол HTTP и опре-

электронные компоненты  №2 2009

53 М У Л ЬТ И М Е Д И А и теле к о м

В последние годы способы доступа потребителей к аудио- и видеомедиаконтенту (AV-медиаконтенту) изменились. На смену отдельным устройствам для передачи данных (ПК с модемом), голоса (телефон) и видеосигналов (DVD-плееры) пришли новые, более интегрированные устройства, обеспечивающие все три сервиса одновременно и поддерживающие такие приложения, как многопользовательские игры видеосервис по запросу и т.д. Более того, многие мобильные устройства, например портативные мультимедиа-плееры и карманные персональные компьютеры, в настоящее время поддерживают целый ряд сервисов и приложений, таких как MPEG-2, MPEG-4 Simple Profile (SP), H.264, VC-1, On2 и DivX. Интернет и сотовые сети также применяются для доступа к AV-медиа­контенту во всех домашних приложениях. Для потребителя важно иметь возможность легко перемещать AV-контент с устройства на устройство, с одного места в другое, делая это с небольшими затратами, а также в режиме реального времени или еще быстрее. Для этого обмен информацией между устройствами домашней сети или за ее пределами должен быть обеспечен таким образом, чтобы этот контент мог просматриваться на различных устройствах в разное время и даже разными пользователями. Для решения этой задачи требуются адаптивные устройства, способные обеспечивать следующие три основные функции. 1. Поддержка адаптивного формата контейнера данных — создание такого формата контейнера данных, который поддерживается клиентским устройством, воспроизводящим видеосигнал и звук. 2. Поддержка адаптивного сетевого протокола, что позволяет обеспечить совместимость протоколов и режимов передачи и приема между различными устройствами для точной и надежной доставки AV-медиаконтента от одного устройства к другому.


Рис. 1. Блок-схема устройства DaVinci (DM6446)

деленный набор расширений, обеспечивая общий протокол для передачи AV-медиаконтента между клиентами и серверами. Более того, группа DLNA создала расширения протокола HTTP для обеспечения работы по типу протокола RTSP без сложности реализации RTSP. Адаптивные форматы контейнера данных

М У Л ЬТ И М Е Д И А и теле к о м

54

Существует множество различных форматов контейнеров данных для потоковой передачи AV-медиаконтента. Наиболее популярны форматы компании Microsoft, например, Audio Video Interleaved (AVI) и Advanced Systems Format (ASF), форматы MPEG-2 Transport Stream (TS) и Program Stream (PS), а также файловый формат MPEG-4 (MP4). Все они предусматривают определенный уровень поддержки метаданных и возможность хранения AV-медиаконтента. Одной из характеристик, на основании которых форматы контейнеров дан-

www. elcp.ru

ных различаются между собой, является обработка метаданных. Формат MP4 хорошо подходит для применения при раздельной передаче сжатой информации и метаданных и очень эффективен, когда критически важная информация о синхронизации и параметры битового потока, которые обычно содержатся в заголовках элементарных потоков, передаются отдельно от сжатых кадров. Как правило, в компьютерных приложениях применяются такие проприетарные форматы контейнеров как ASF и Adobe Flash Video, а в телеприставках и DVD-плеерах чаще всего применяются стандартные форматы TS и PS. В портативных устройствах, в свою очередь, распространен метод потоковой передачи через интернет MPEG-4 и файловый формат MP4. Транскодирование

Транс­к оди­р о­в а­н ие представляет собой функцию, требующую наибольшего объема вычислений. Если речь идет о видеоконтенте высокой четкости (HD), то транскодирование для типового хос т- процессора недоступно из-за очень высоких требований к вычислительной мощности, связанных с декодированием и кодированием битового потока высокой четкости.

Кроме того, в процессе транскодирования выполняется множество алгоритмов, а это происходит за счет дополнительного усложнения вычислений, что, в свою очередь, приводит к снижению качества изображения. Сложность вычислений является следствием работы кодера, выполняющего поиск движущихся элементов в процессе оценки движения, поскольку сведения о векторах движения, используемых в процессе декодирования, отсутствуют. Снижение качества изображения является в первую очередь результатом неправильного назначения типов кадра и макроблока при взаимодействии между декодером и кодером. Допустим, что кодер выполняет кодирование в intra-режиме (I) для кадра, который был декодирован как двунаправленно интерполированный (B) кадр. В этом случае B-кадр используется в качестве опорного или предиктивного (P) кадра для предшествующих и последующих кадров кодера, и ошибки распространяются и далее. Передача информации о типе каждого кадра (I, P, B), режимах макроблоков и векторах движения во время транскодирования от декодера в кодер может оказаться очень полезной. Если производится уменьшение частоты кадров, например, с 30 до 15 кадров в секунду, то, зная местонахождение B-кадров в оригинале, можно существенно сократить объем обрабатываемых данных. Поскольку B-кадры не используются в качестве опорных кадров, их можно удалить из битового потока для уменьшения частоты кадров без дополнительной обработки данных кодером. Зная вектор движения каждого макроблока в битовом HD-потоке, можно значительно уменьшить объем вычислений в процессе кодирования, осуществляемого транскодером. Процесс поиска движущихся элементов, выполняемый любым кодером, имеет наибольшую вычислительную интенсивность. Если известно общее приближение для вектора движения каждого моноблока из исходного источника, то объем необходимых вычислений существенно уменьшается. Выполняемый транскодером поиск элементов движения вблизи известной опорной точки становится более детальным, чем при поиске по массиву точек очень большой плоскости изображения. Причина заключается в том, что кодер цифрового вещания высокой четкости расходует огромный объем вычислительной мощности и памяти, чтобы получить оптимальный набор параметров последовательно для каждого кадра и макроблока, зачастую выполняя несколько проходов процесса кодирования для


Рис. 2. Блок-схема транскодера

Рис. 3. Блок-схема телеприставки с транскодером

верно в процессе оценки движения, который в данном случае является более детализированным, чем поиск по массиву. Если размер изображения изменяется, то при масштабировании изображения можно создавать кадры требуемого размера до передачи кадра в кодер, и уменьшить таким образом объем необходимой памяти в системе, добиваясь дальнейшего снижения стоимости транскодера. Техническое решение для транскодера с использованием технологии DaVinci

Очевидно, что в случае применения различных сетевых протоколов и форматов контейнера данных, необходим сопроцессор для транскодирования с использованием множества существующих кодеков, таких как MPEG-2, H.264 и VC-1. Архитектура DaVinci хорошо приспособлена для выполнения этой зада-

чи. На рисунке 3 изображена блок-схема устройства для записи DVD в сочетании с транскодером. Это устройство получает сжатый контент с телеприставки (SetTop box, STB) и передает транскодированный контент обратно, а также может декодировать видеоданные для отображения их на телеприставке в режиме «картинка в картинке» (PIP). В этом приложении в первую очередь важна именно функциональность транскодирования. Впрочем, при наличии в домашней сети других сетевых устройств хост-процессор DaVinci может использоваться для обработки сетевых протоколов и форматов контейнеров данных, тогда как ЦСП работает в качестве сопроцессора для обеспечения транскодирования. Таким образом, уменьшается общая стоимость системы, обеспечивающей столь нужное в домашней сети адаптивное мультимедийное решение.

электронные компоненты  №2 2009

55 М У Л ЬТ И М Е Д И А и теле к о м

каждого кадра. Пренебрегать такой информацией весьма неразумно, это только увеличит объем вычислительной работы для транскодера, исказит изображение и снизит общее качество картинки. Тесное взаимодействие декодера с кодером понижает общий уровень сложности и приводит к лучшему решению. Пример такого объединенного решения (блок-схема транскодера) показан на рисунке 2. Чтобы обеспечить лучшие решения для создаваемого транскодированного битового потока, декодер сообщает кодеру тип кадра, типы и режимы макроблока, векторы движения, уровни квантизации и параметры битрейта. Хотя кодер и должен производить полное кодирование данных, многие модули характеризуются меньшим уровнем сложности благодаря наличию априорной информации, предоставляемой декодером. Это особенно


Характеристики современных ИБП с двойным преобразованием. Часть 4* Валерий Климов, к.т.н., технический директор «Русэлт» При сравнении источников бесперебойного питания (ИБП) различных производителей следует, прежде всего, обращать внимание на их технические характеристики, отражающие потребительские свойства и качества. В статье рассматриваются важные энергетические показатели ИБП и их перегрузочные характеристики. Динамические характеристики отражают надежную работу ИБП при коммутации нагрузки, скачках сетевого напряжения, перегрузках и других возмущениях, возникающих в системе «сеть – ИБП – нагрузка». Приведены результаты экспериментального исследования динамических режимов однофазных ИБП с двойным преобразованием, рассмотренных в части 1 («ЭК» 6, 2008). Классификация электрических характеристик ИБП

И с т о ч н и к и п и та н и я

56

Требования к ИБП и классификация электрических характеристик современных ИБП наиболее полно представлены в новом международном стандарте [3]. Действовавший ранее в нашей стране стандарт [4] не отражает всей полноты требований к современным структурам ИБП. Предлагаемый автором перечень электрических параметров ИБП дополнен рядом энергетических показателей: – входные характеристики включают: номинальные значения мощностей, напряжений, токов и их допусти��ые отклонения, пусковые токи, входной коэффициент мощности, гармонический состав входного тока; – выходные характеристики отражают: статические и динамические показатели точности, коэффициент искажения синусоидальности, КПД, выходной коэффициент мощности, перегрузочную способность ИБП; – переходные (системные) показа­ тели характеризуют: синхронизацию по частоте, время резерва, время восстановления заряда аккумуляторной батареи (АБ), обобщенный энергетический коэффициент; – параметры цепи постоянно­ го тока характеризуют требования к номинальным значениям напряжения АБ [1, 2]; – эксплуатационные требования (условия окружающей среды) отражают влияние температуры, влажности, высотности и т.д. на рабочие характеристики ИБП. Рассмотрим более подробно основные электрические характеристики ИБП.

Входные характеристики ИБП

Номинальные значения входного напряжения, принятые в нашей стране: для однофазных ИБП — 220 В; для трехфазных ИБП — 220/380 В, 50 Гц. Допустимые отклонения входно­ го напряжения характеризуют пределы изменения входного напряжения, при которых ИБП продолжает работать в сетевом режиме без перехода в автономный режим питания от АБ. Современные структуры ИБП с бустером обеспечивают диапазон ±20% и более. Следует отметить, что для ряда однофазных моделей ИБП нижний предел входного напряжения расширяется с уменьшением нагрузки [1]. Номинальная входная полная мощность (Sвх.ном) — полная мощность, загружающая сеть при 100-% коэффициенте нагрузки и стандартных условиях эксплуатации. Различают входную мощность, потребляемую при заряженной АБ (S вх.мин), и мощность при форсированном заряде батареи  (S вх.макс), превышающую первое значение на 25—30%, в зависимости от величины емкости батареи и степени ее разряженности. Например, для ИБП с номинальной выходной мощностью 30 кВА и входным коэффициентом мощности 0,8 имеем: Sвх.мин = 32,8 кВА и Sвх.макс = 41 кВА. Номинальная входная активная мощность (Рвх.ном) характеризует энергопотребление на входе ИБП при номинальной нагрузке: Рвх.ном = Кр вх Sвх.ном ,

(1)

где Кр  вх — входной коэффициент мощности, характеризующий отношение

активной входной мощности к полной при номинальном входном напряжении и 100-% нагрузке. Значения Кр  вх для различных моделей и мощностей ИБП могут изменяться 0,8…0,99. Чем больше значение Кр вх, тем ниже искажение синусоидальности входного тока. При этом входное сопротивление ИБП по отношению к сети будет чисто активным. Наиболее высокое значение Кр  вх  =  0,99 достигнуто в структурах ИБП с входным ШИМ-преобразователем на IGBTтранзисторах [2]. Составляющие токов реактивной мощности и мощности искажения во входной цепи преобразователя (мостовой схеме трехфазного выпрямителя) будут замыкаться во входном контуре системы и зависеть от параметров входного фильтра, реактивных параметров звена постоянного тока (т.к. это влияет на форму тока, потребляемого от сети) и степени загруженности системы. Максимальный входной ток — параметр, определяющий выбор внешнего автомата защиты ИБП. Величина максимального тока определяется при 100-% коэффициенте нагрузки, минимальном входном напряжении в режиме форсированного заряда АБ: Iвх.макс = Sвх.макс/Uвх.мин.

Величина пускового тока — характеризует бросок входного тока за счет заряда накопительных конденсаторов при включении ИБП. Для ограничения скачка тока в современных ИБП используют пусковые цепи или алгоритм мягкого старта ИБП.

* Первая, вторая и третья части статьи были опубликованы в «ЭК» №№6, 8, 9, 2008 г. соответственно.

www. elcp.ru

(2)


Рвых.ном = Кр  вых Sвых.ном.

отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих: ∆P = Pвх, Рвых = ∆Рхх + ∆Рсц + ∆Рдоп. (4) ∆P хх — постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП) не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов, питания вентиляторов охлаждения и других вспомогательных блоков. В ИБП малой и средней мощности 1…10 кВА потери холостого хода составляют 20—30% от общих потерь. С ростом мощности ИБП относительная доля потерь холостого хода снижается. ∆Pсц — переменная составляющая потерь, которая зависит от коэффициента нагрузки. ∆Pсц = ∆Р1 + ∆Р2 +∆Р3 +∆Р4.

∆P1 — потери в силовой цепи выпрямителя; ∆P2 — потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности; ∆P3 — потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения; ∆P4 — потери в силовой цепи инвертора. Технические данные производителей ИБП содержат значения КПД отдельных силовых узлов ИБП (в основном выпрямителя и инвертора) и значения общего (системного) КПД, составляющего 85—88% для ИБП малой мощности и 90—94% для ИБП средней и большой мощности. ∆Pдоп — дополнительные потери на заряд АБ, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи. Например, потери при номинальной нагрузке в ИБП мощностью

Таблица 1. Зависимость коэффициента снижения мощности от характера нагрузки Характер нагрузки

индуктивный

резистивный

(3) емкостной

КПД и тепловые потери

КПД характеризует эффективность использования ИБП и представляет

(5)

30  кВА составляют: 2,8 кВт — при форсированном режиме заряда батареи и 2,2 кВт — при заряженной батарее. Нагрузочная характеристика ИБП представляет нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощнос­ти от коэффициента мощности нагрузки KS = f(Kрн). Введем понятия коэффициента передачи полной мощности в нагрузку и нагрузочной характеристики инвертора [6]. Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку — отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности оборудования K S = Sвых.макс/ Sном·100%. Коэффициент K S коррелирует с понятием коэффициента снижения мощности Kd, указывающим на процент величины активной составляющей мощности нагрузки, которую можно подключить к инвертору. Коэффициент снижения мощности зависит от характера нагрузки. В таблице 1 приведены значения коэффициентов снижения мощности при выходном коэффициенте мощности инвертора 0,8 и различных значениях коэффициентов мощности нагрузки. Ток конденсатора выходного фильтра суммируется с током емкостной составляющей нагрузки, что снижает предельно допустимую нагрузку на выходе инвертора. Реактивная составляющая мощности и высокочастотные гармонические составляющие мощности искажения на выходе преобразователя будут обмениваться между нагрузкой, выходным фильтром инвертора и емкостью фильтра звена постоянного тока. Замыкаясь в указанном контуре силовой цепи преобразователя, их величины будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки. Причем выходной коэффициент мощности может отличаться от коэффициента мощности нагрузки. Значение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходно-

Коэффициент мощности нагрузки 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 1,0 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7

Коэффициент снижения мощности, % 88 94 100 94 87 80 74 68 62

электронные компоненты  №2 2009

57 И с т о ч н и к и п и та н и я

Выходные характеристики ИБП

Статическая точность выходного напряжения для однофазных маломощных ИБП двойного преобразования составляет ±2%, для ИБП средней мощности и трехфазных ИБП достигает ±1%, что обеспечивает параллельную работу 4—8 блоков на общую нагрузку  [10]. Показатели динамической точности современных ИБП составляют ±5% при 100-% скачке нагрузки [2]. Внешняя характеристика ИБП характеризует степень статической точности выходного напряжения. В общем случае жесткость внешней характеристики определяется внутренним сопротивлением силовой цепи, включающей выпрямитель, корректор коэффициента мощности (ККМ), преобразователь постоянного напряжения (ППН) и инвертор. ККМ и ППН обладают стабилизирующими свойствами. Благодаря этому напряжение питания инвертора также стабильно, поэтому можно считать, что основным параметром, определяющим внешнюю характеристику ИБП, является выходное сопротивление инвертора. Современные инверторы на IGBTтранзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения обладают низким значением внутреннего сопротивления. По сравнению с силовыми трансформаторами, инвертор обладает в 5 раз меньшим внутренним сопротивлением [5], что обеспечивает не только высокую точность стабилизации выходного напряжения (1—2%), но и низкие значения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (менее 3%) при токах в нелинейных нагрузках с коэффициентом амплитуды до 3. Номинальная полная выходная мощность (Sвых.ном) — предельная полная мощность, которую инвертор может отдать в линейную нагрузку с коэффициентом мощности (Кр  н) равным выходному коэффициенту мощности ИБП (Кр  вых) при стандартных условиях эксплуатации (температуре, влажности, высотности). Выходной коэффициент мощности (Кр  вых), указанный производителем, соответствует тому зна��ению коэффициента мощности нагрузки, при котором обеспечивается максимальная эффективность потребления электроэнергии от ИБП. Значения Кр  вых для современных ИБП составляют 0,7…0,9 [6]. Номинальная активная выходная мощность (Рвых.ном) — максимальная активная мощность, отдаваемая в нагрузку:


Рис. 1а. Нагрузочные характеристики ИБП

Рис. 1б. Зависимости Кр и Ка от длительности импульса тока в RCD-нагрузке

Рис. 2. Векторная диаграмма мощностей

И с т о ч н и к и п и та н и я

58

му коэффициенту мощности ИБП. На рисунке 1а приведены нагрузочные характеристики при различных типах линейной нагрузки RL, RC и нелинейной нагрузки RCD. При нелинейной нагрузке коэффициент передачи мощности снижается. Наиболее распространены однофазные нелинейные нагрузки типа RCD  — неуправляемые выпрямители с емкостным фильтром. Коэффициент амплитуды тока такой нагрузки достигает 2,5—3 при коэффициенте мощности 0,7—0,6. На рисунке  1б приведены зависимости коэффициента мощности и коэффициента амплитуды RCD-нагрузки в функции длительности импульса тока на полупериоде сетевого напряжения  [7]. При работе ИБП на разнотипные нагрузки за эквивалентную нелинейную нагрузку принимают сумму нагрузок: 50% — RL — линейная нагрузка с Кр  н  =  0,8 и 50% — RCDнагрузка — не­управляемый выпрямитель с емкостью фильтра 2,5  мкФ/Вт. Коэффициент передачи мощности в нелинейную нагрузку при токе с коэффициентом амплитуды Ка = 3 не превышает значения К s = 70—80%.

www. elcp.ru

Векторная диаграмма мощностей инвертора (см. рис. 2) наглядно отражает нагрузочные способности ИБП и в последнее время приводится в каталогах ряда ведущих мировых производителей ИБП. Верхний квадрант диаграммы характеризует мощности при активно-емкостной нагрузке (кВАр-С), а нижний — при активно-индуктивной нагрузке (кВАр-L). Здесь приняты обозначения: – горизонтальная ось соответствует относительным значениям активной – мощности P ; – О — центр окружности максимальной полной мощности при индуктивном характере нагрузки; – ОВ — вектор относительной максимальной полной мощности, отдаваемой в нагрузку индуктивного характера ( ) при номинальной активной мощности; – О'— центр окружности максимальной полной мощности при емкостном характере нагрузки; – ВС — значение номинальной активной мощности на выходе преобразователя ( );

– ОА — предельное значение относительной полной мощности, отдаваемой в индуктивную нагрузку при пониженной активной мощности; – ОD — предельное значение относительной полной мощности, отдаваемой в емкостную нагрузку при пониженной активной мощности. Косинусы углов поворота векторов полных мощностей относительно действительной оси координат соответствуют коэффициентам мощности нагрузок на выходе инвертора. Положение вертикальной линии номинальной выходной активной мощности ( ) определяется выходным коэффициентом мощности инвертора Кр  вых = Рном/Sном. При емкостном характере нагрузки происходит смещение центра максимальной полной мощности О1 вниз относительно начала координат О и снижение границы полной мощности CD. Выход за указанные границы на векторной диаграмме мощностей (A-BC- D-O) означает перегрузку инвертора. Современные системы управления инвертором в ИБП анализируют значения полной и активной составляющей мощностей, фиксируя превышения предельных значений. Коэффициенты реактивных мощно­ стей выходного фильтра инвертора. При выборе параметров фильтра рекомендуется принимать: Kc = Qc/Sном = = 0,25…0,5; Kl = Ql/Sном = 0,07…0,2. Меньшие значения коэффициентов могут быть приняты для пониженных мощностей инверторов. Увеличение коэффициента емкостной мощности приводит к снижению расчетной мощности инвертора, обеспечивающего номинальные режимы работы в безопасной области векторной диаграммы мощностей [6]. Перегрузочные характеристики ИБП и ток короткого замыкания инверто­ ра. Различают перегрузочные способности инвертора и цепи «байпас». При значительных и длительных перегрузках ИБП переходит в режим автоматического байпаса, который характеризуется большой перегрузочной способностью. Однако современные инверторы на IGBTтранзисторах с ШИМ-регулированием тоже отличаются достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого замыкания (Iкз), достигающими 200—300% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 5—10% номинальной мощности, ИБП могут работать в инверторном режиме длительное время, не переходя в режим «байпас». На рисунке 3 приведены типичные перегрузочные характеристики ИБП. Допустимые области работы ИБП: 1  — инверторный режим; 2 — режим


Если выполняется условие Кэ ≥ Кр  н, то ИБП потребляет из сети полную мощность равную или меньше той, что ИБП отдает в нагрузку: Sвх = Sвых Кр н/Кэ.

Данное положение распространяется на ИБП с высоким входным коэффициентом мощности при работе на нелинейные нагрузки с низким коэффициентом мощности. Это явление объясняется тем, что при нелинейной нагрузке ток реактивной мощности и высокочастотные гармоники тока мощности искажения замыкаются в контуре «инвертор–нагрузка» и не проявляются во входной цепи ИБП. Можно показать, что при заданном коэффициенте мощности нагрузки Кр  н и КПД активная мощность на входе ИБП будет составлять: Рвх = Sвых Кр  н/η.

(9)

Полная мощность на входе ИБП будет определяться входным коэффициентом мощности:

(6)

Sвх = Рвх/Кр  вх = Sвых Кр  н/Кэ.

Соответственно, коэффициент амплитуды тока ограничения составляет:

При условии Uвх = Uвых имеем:

.

Ка.огр = Iогр/Iвых.ном = 2,12.

Переходные характеристики ИБП

Эти характеристики носят также название системных или «вход/выход». К ним относятся такие параметры как энергетический коэффициент, показатели синхронизации, временные характеристики автономной работы ИБП и восстановление заряда АБ. Энергетический коэффициент оп­ределяет соотношение полных мощностей — потребляемой ИБП из сети и отдаваемой ИБП в нагрузку [8]: Кэ = ηКр.

(10)

Iвх = Iвых Кр  н/Кэ.

(7)

Инвертор с ШИМ-регулированием выходного напряжения способен реагировать на изменения тока нагрузки, ограничивая его по амплитуде. При этом происходит увеличение длительности импульса тока на полупериоде выходного напряжения [8]. Так, например, инвертор с номинальной мощностью 5 кВА способен отдать 4 кВт активной мощности в RCD-нагрузку с искажением синусоидальности выходного напряжения не более 5%. Таким образом, выходной коэффициент мощности такого инвертора Кр  вых = 0,8. В таблице 2 приведены типовые пе­р е­грузочные характеристики ИБП малой и средней мощности.

(8)

(11)

Рассмотрим пример использования ИБП со следующими показателями: Кр  вх  = 0,95, КПД = 90%, при работе на нелинейную нагрузку с коэффициентом мощности Кр  н = 0,63. Из соотношения (11) имеем: Iвх = = 0,74 Iвых. Уменьшение действующего значения входного тока ИБП относительно выходного тока приводит к снижению загруженности сети по сравнению с тем, когда нагрузка подключена к сети напрямую. Поскольку потери мощности пропорциональны квадрату тока, то потери мощности в линиях электропередачи с

Рис. 3. Перегрузочные характеристики ИБП

использованием ИБП в нашем примере составят 54% от потерь при питании той же нагрузки от сети без ИБП. Это обстоятельство особо важно при наличии т.н. «мягких» линий электропередачи. Таким образом, обобщенный энергетический коэффициент является одним из важнейших показателей, определяющих целесообразность применения ИБП с двойным преобразованием не только для обеспечения бесперебойного электропитания нагрузки при пропадании или искажении сети, но и для оптимизации энергопотребления при нагрузках с низким коэффициентом мощности. Временные характеристики авто­ номной работы ИБП показывают предельные времена работы ИБП от энергии АБ при отсутствии или недопустимых отклонениях сети в зависимости от коэффициента нагрузки. Значительное увеличение времени резерва достигается внешним подключением дополнительных аккумуляторных модулей. Следует обратить внимание на нелинейную зависимость временных характеристик от значения коэффициента нагрузки [8]. Время восстановления заряда ак­ку­ муляторной батареи характеризует возможность работы ИБП в повторных автономных режимах и зависит от используемой емкости АБ. Время заряда АБ 20—90% емкости составляет в среднем 6—8 ч.

Таблица 2. Типовые перегрузочные характеристики ИБП малой и средней мощности Произ­води­ Модель Номинальная тель ИБП мощность, кВА PW9120

1…6

PW9150

8…15

GXT

6…10

Nfinity

4…16

Hinet

10…30

MDM

10…20

Powerware

Liebert

Riello

Инвертор Байпас Пере­ Время пере­ Пере­ Время пере­ грузка, % грузки, с грузка, % грузки, с 125 60 150 10 1000 0,02 125 60 150 10 130 10 200 0,16 125 600 н/д 150 20 200 0,25 125 600 150 1800 150 10 1000 0,1 300 0,1 125 600 н/д 150 60

электронные компоненты  №2 2009

59 И с т о ч н и к и п и та н и я

автоматического байпаса; 3 — область отключения ИБП. Следует иметь в виду, что количественные показатели приведенных токо-временных зависимостей у разных моделей ИБП могут отличаться. Знание перегрузочных характеристик позволяет оптимально выбирать необходимую номинальную мощность ИБП для нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, исключая низкий коэффициент загрузки ИБП в статическом режиме при номинальных токах нагрузки. Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным для понимания перегрузочных свойств ИБП. При росте тока нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая его максимальное значение на определенной величине Iогр. Чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке:


Рис. 4а. Процесс наброса линейной нагрузки

Рис. 4б. Процесс сброса линейной нагрузки

И с т о ч н и к и п и та н и я

60

Показатели синхронизации характеризуют синхронную работу инвертора и цепи «байпас», которая должна поддерживаться при отклонениях частоты в пределах ±8% от номинальной со скоростью изменения частоты в пределах 1…4 Гц/с. При автономной работе выходная частота инвертора должна поддерживаться с точностью ±0,1% от номинальной. Характеристики динамических режимов работы и спектральные характеристики ИБП

Данный раздел посвящен результатам экспериментального исследования динамических режимов и спектральных характеристик ИБП с двойным преобразованием мощности 1…3 кВА [9]. При этих исследованиях определялись:

www. elcp.ru

– провалы и всплески мгновенных значений выходного напряжения и тока и время возврата в установившийся режим работы ИБП после скачков нагрузки; – реакция ИБП на скачки входного напряжения; – перегрузочные и защитные способности ИБП; – гармонический состав выходного напряжения и тока в установившихся процессах при различном характере нагрузок и форме входного напряжения. Названный перечень динамических характеристик отражает общие требования к ИБП, изложенные в стандартах [3, 4]. Результаты исследования переходных процессов при скачках нагрузки приведены на рисунках 4а, б. Анализ показывает, что при скачке линейной нагрузки до 100% выходное напряжение снижается на 3,5%

от величины установившегося значения и затем восстанавливается до исходного уровня за 60 мс (см. рис. 4а). Отметим, что статическая точность стабилизации ИБП составляет ±2%. При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки зарегистрировано увеличение выходного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (см. рис. 4б). На рисунке 5а приведены осциллограммы выходного напряжения и тока при включении двигательной нагрузки, суммарная мощность которой составила 150% номинальной мощности ИБП. В связи с перегрузкой ИБП автоматически перешел в режим «байпас», а затем, по окончании режима пуска двигателя ИБП, вновь перешел в режим двойного преобразования. При этом видно, что переход из режима двойного преобразования в байпас и нао-


Рис. 5а. Процесс перехода ИБП в режим «байпас» при включении двигательной нагрузки и возврат в режим двойного преобразования

Рис. 5б. Процесс подключения нелинейной нагрузки мощностью 1,8 кВА к ИБП 3 кВА

При этом выходное напряжение снизилось на 9% от установившегося значения и затем восстановилось до исходного уровня в течение 40 мс. При исследовании поведения ИБП при скачках входного напряжения было отмечено, что он обеспечивает практически мгновенную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в пределах статической точности ±2%. Эффективность электронной защиты инвертора проверялась при автономной работе ИБП путем включения двигательной нагрузки с превышением 150% номинальной нагрузки (пуск двигателя). Через 0,22 с после включения двигателя ИБП был отключен электронной защитой от перегрузки (см. рис. 6). Эксперимент подтвердил

паспортные данные о перегрузочной способности инвертора (200 мс) и надежность срабатывания электронной защиты ИБП. Исследование гармонического со­става выходного напряжения и тока при линейной и нелинейной нагрузках показало, что коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения не превышает допустимые значения [11] при любом характере нагрузки как в сетевом, так и в автономном режимах. В таблице 3 приведены результаты испытаний ИБП мощностью 3 кВА на состав высших гармоник в выходном и входном напряжениях и токах при нелинейной нагрузке мощностью 1,8 кВА. Как следует из таблицы 3, при использовании ИБП с двойным преобразова-

электронные компоненты  №2 2009

61 И с т о ч н и к и п и та н и я

борот происходит мгновенно, без искажений кривых напряжения и тока. Процесс перехода на байпас и возврат в режим двойного преобразования был приведен на рисунке 5а. При превышении нагрузки более 110% инвертор продолжает работу в течение 30 с, а затем ИБП переходит на байпас. В случае увеличения нагрузки до 150% инвертор продолжает работать 0,2 с до перехода на байпас. На рисунке 5б приведены осциллограммы выходного напряжения и тока ИБП 3 кВА при включении нелинейной нагрузки, коэффициент амплитуды (крестфактор) которой равен 2,84, а полная мощность — 1,8 кВА. Первоначальный всплеск тока превысил в 2,4 раза пиковое значение тока в установившемся режиме.


Рис. 6. Процесс отключения ИБП электронной защитой при 150-% перегрузке в автономном режиме Таблица 3. Спектральный состав токов и напряжений при нелинейной нагрузке Номер гармоники и % содержания

Измеряемый параметр

Коэффициент искажения сину­ соидальности, %

2

3

5

7

9

Выходное напряжение

3,8

3,05

0,57

1,32

0,76

Входное напряжение

2,15

1,44

0,69

1,36

0,31

Выходной ток

111

84

60

36

22

Входной ток

13

11

2,7

7

2,6

нием коэффициент искажения синусоидальности (Ки) равен 3,8% при существенно нелинейной нагрузке. При этом допустимое содержание высших гармоник выходного напряжения инвертора не превышает 10% [9]. При существенно несинусоидальной форме входного напряжения, соответствующей коэффициенту искажения синусоидальности 36—41% (прямо­ угольное напряжение со значительным коэффициентом третьей гармоники), выходное напряжение ИБП имеет синусоидальную форму Ки вых = 0,6—1%. Это обстоятельство особо важно при питании ИБП от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы. Литература 1. Климов В. Современные источники бесперебойного питания: классификация и структуры однофазных ИБП. Часть1//Электронные компоненты, №6, 2008. 2. Климов В. Структуры силовых цепей трехфазных ИБП. Часть 2// Электронные компоненты, №8, 2008. 3. International Standard IEC 62040-3.1999, Uninterruptible Power Systems (UPS), part 3: Method of Specifying the Performance and Test Requirements. 4. ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия. 5. Jean N. Fiorina Inverters and Harmonics, MGE UPS Systems, MGE 159, 1993 6. Климов В., Москалев А. Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания//Силовая Электроника, №3, 2007. 7. Климов В., Смирнов В. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания// Практическая силовая электроника, вып.5, 2002. 8. Климов В., Климова С. Энергетические показатели источников бесперебойного питания переменного тока, Электронные компоненты, №4, 2004. 9. Климов В. и др. Однофазные источники бесперебойного питания серии ДПК: динамические и спектральные характеристики//Силовая Электроника, №2, 2007. 10. Климов В. Многомодульные структуры ИБП и организация параллельной работы мономодульных ИБП. Часть 3//Электронные компоненты, №9, 2008. 11. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

И с т о ч н и к и п и та н и я

62

www. elcp.ru


Микросхемы цифрового управления преобразованием энергии Дэвид Моррисон (David Morrison), главный редактор, журнал Power Electronics Technology В настоящее время все активнее применяются методы цифрового управления преобразованием энергии (Digital Power). Мы стараемся следить за этой темой и регулярно публикуем статьи по ней (см., например, материалы Константина Староверова в ЭК 6 и 9). В статье рассказывается о новациях, предпринятых специалистами компании Texas Instruments. В разных приложениях методы цифрового управления преобразованием энергии позволяют сократить количество компонентов, одновременно улучшив свойства системы. Например, семейство 32-разрядных микроконтроллеров (МК) компании Texas Instruments (TI) имеет относительно невысокую стоимость, что впервые позволило реализовать управление в реальном времени в «чувствительных к цене» узлах управления энергопотреблением. С ним соперничают два цифровых многофазных ШИМ-контроллера компании CHiL Semiconductor, позволяющих заменить аналоговые ШИМконтроллеры в усовершенствованных модулях стабилизаторов напряжения. Контроллеры обладают высоким КПД в различных режимах нагрузки и быстрой реакцией на переходные процессы. Управление в реальном времени для повышения КПД системы

микросхемы силовой элек троники

64

32-разрядные МК серии Piccolo TMS320F2802x/F2803x от TI предназначены для управления в реальном времени в критичных к цене приложениях. Такое управление обеспечивает прирост КПД системы и повышенную точность за счет реализации усовершенствованных алгоритмов для промышленных, бытовых и автомобильных приложений, например, для микроинверторов солнечных энергосистем, светодиодной подсветки, крупной бытовой техники (кухонных плит, холодильников) и гибридных автомобилей. «Сочетание производительности 32-разрядных устройств, расширенной периферии и миниатюрных корпусов позволяет разработчикам ввести управление в реальном времени при помощи одного лишь МК в тех приложениях, где прежде это было невозможно»,  — заявляет Кит Огбония, управляющий по сбыту компании TI. Контроллеры Piccolo F2802x/F2803x позволяют заменить несколько элек-

www. elcp.ru

тронных компонентов и снизить общую стоимость системы управления режимом электропитания. Например, в преобразователе с переменной частотой преобразования для воздушных кондиционеров один контроллер F2802x/ F2803x может управлять двумя трехфазными электродвигателями и выполнять вычисления для регулирования коэффициента мощности. Кроме того, благодаря быстродействию и возможности интеграции МК Piccolo применяются для реализации узлов передачи информации по линиям электропередачи для сетей уличного освещения, что позволяет точно определить места, где нарушается энергоснабжение, и централизованно управлять освещением в зависимости от времени дня, движения на дорогах или погодных условий. В преобразователях для солнечных батарей МК Piccolo способствуют повышению КПД системы и лучшему контролю работы солнечной панели. В типичных солнечных энергосистемах используется один инвертор для нескольких панелей, однако исследования показали, что отдельные микроинверторы, подключенные к каждой солнечной панели, позволяют лучше управлять доступной энергией. Микроинверторы максимально увеличивают выходную мощность каждой отдельной панели по сравнению с инверторами в масштабе системы, которые максимизируют среднюю выходную мощность всей совокупности панелей. К числу усовершенствований МК Piccolo относится встроенный сопроцессор для операций с плавающей точкой  — CLA (Control Law Accelerator), предназначенный для разгрузки центрального процессора (ЦП) TMS320C28x и способный быстро выполнять сложные алгоритмы управления. Ускоритель, который появится в серии устройств F2803x, освобождает ЦП для управления процессом ввода/вывода и цепью

обратной связи, что приводит к пятикратному увеличению быстродействия приложений с обратной связью. Усовершенствованные ШИМ (enhanced pulse-width modulators — ePWM) компании TI поддерживают высокое разрешение с частотной модуляцией до 150 пс, что позволяет улучшить гармонический состав сигнала и уменьшить задержки в узле ШИМ — загрузить в его регистры управления новое значение, не дожидаясь окончания цикла. Встроенные в Piccolo 12-разрядные АЦП с частотой выборки 4,6 Мвыб./с работают в четыре раза быстрее схожих устройств конкурирующих производителей. Использоване двух встроенных генераторов с частотой 10 МГц и точностью ±1% исключает необходимость во внешних генераторах и, следовательно, позволяет сэкономить на стоимости системы. Во многие МК встраиваются кольцевые генераторы, имеющие дрейф 50%, что делает их непригодными для надежной синхронизации коммуникационных интерфейсов. Генераторы Piccolo также обеспечивают троекратную избыточность со встроенными функциями автоматического контроля. Это позволяет разработчикам получить сертификат безопасности на уровне системы, например, по стандарту безопасности IEC-60730 для крупной бытовой техники в Европе. Простая архитектура системы питания исключает необходимость во внешних ИС питания, используя один 3,3-В источник с внутренним стабилизатором, понижающим напряжение до 1,9 В и предусматривающим защиту при просадках напряжения, а также сброс по включению питания. Первые опытные образцы МК Piccolo серии F2802x появились в декабре прош­лого года. Они работают на частоте 40...60 МГц, имеют флэш-память объемом до 128 Кбайт, 12-разрядный АЦП, усовершенствованный ШИМ и периферию.


Микросхемы-датчики прикосновения Omron BxTS Андрей Мамруков, бренд-менеджер, компания «ПетроИнТрейд» В статье рассказывается о сферах применения новой серии BxTS емкостных сенсорных датчиков компании Omron, обеспечиваемых ими возможностях и принципах действия. Введение

Емкостные сенсорные датчики производства Omron применяются как в привычных бытовых приборах (микроволновых печах, кухонных плитах, холодильниках, стереосистемах, стиральных машинах), так и в автоматических охранных системах, выключателях освещения, системах противопожарной безопасности, медицинской технике, словом, везде, где требуется высокая надежность, долговечность и устойчивость к всевозможным внешним воздействиям. Новая серия микросхем-датчиков BxTS предоставляет разработчикам полную свободу в создании клавиатуры, ограничивая их только рамками воображения. У дизайнера появляется возможность создания кнопок любой формы и площади, т.е. он может рисовать клавиатуру, предполагая использование любого плоского либо выпуклого неэлек­ тро­про­водного материала (диэлектрика), например, дерева, резины, пластика, мрамора или стекла. Затем инженеркон­струк­тор разводит печатную плату (ПП) в соответствии с рисунком дизайнера, другими словами, он повторяет рисунок в одной из сред проектирования, заменяя кнопки контактными площадками, которые потом закроет нарисованная клавиатура. На сегодня компания Omron предлагает микросхемыдатчики с 16-ю входами, а последовательный интерфейс SPI позволяет объединить несколько микросхем в одну систему, благодаря чему можно разрабатывать клавиатуры практически с любым количеством клавиш. Плоские креативные модели таких интерфейсов могут с успехом заменить традиционные механические клавиатуры. Сенсорное управление идеально подходит для современных стеклокерамических кухонных плит, внешний вид, функциональность и гигиенические свойства которых являются важными факторами выбора интерфейса. Гладкую поверхность гораздо легче чистить, и она более эстетична, чем альтернативные массивные панели управления. Конечная печатная плата монтируется непосредственно под стеклянную панель, что избавляет от необходимости делать дополнительное отверстие. Напомним, что датчик реагирует на изменение емкости, происходящее в результате интерференции электромагнитных волн. Пользователь прикасается к панели, создавая событие, как показано на рисунке 1. Используя такое решение, разработчик может свести к минимуму системные затраты, применяя экономически выгодные односторонние ПП. К тому же, в противовес механическим кнопкам, сенсорная микросхема с использованием гибких ПП или других тонкопленочных технологий наиболее универсальна для применения на выпуклых поверхностях. Производители техники не ограничены условиями расположения или геометрии клавиш и могут поставлять на рынок самые разнообразные решения. Технология сенсорного управления все увереннее внедряется в производство крупных бытовых приборов, используется для создания управляющих терминалов и потребительской электроники, являясь надежной заменой механическим средствам переключения.

Нельзя, конечно же, забывать о приборах, требующих антивандального исполнения. Для решения этой проблемы в качестве внешней накладки можно использовать бронированное стекло или твердый пластик. Сенсорная клавиатура вполне может использоваться в различных системах связи, например системе «дом-улица» (домофон), однако важно понимать, что каждое применение требует внимательной проработки всех деталей. Например, в случае с домофоном или уличным таксофоном требуется учитывать, что пользователь может попытаться осуществить ввод информации, не снимая перчаток, и это не является проблемой, а решается настройкой чувствительности. То же относится к системам оплаты и лифтовому оборудованию. Одним словом, нужно хорошо продумывать режимы эксплуатации. Принцип действия емкостного датчика

Классический емкостной датчик состоит из усилителя, схемы коммутации и RC-цепочки (см. рис. 2), которая является чувствительным элементом датчика. Этот чувствительный элемент состоит из двух электродов, которые по отношению друг к другу расположены по принципу «открытого» конденсатора (см. рис. 3). Электроды А и В расположены в контуре обратной

Рис. 1. Общий принцип функционирования

Рис. 2. Схема элементарного датчика

Рис. 3. Конструкция чувствительного элемента датчика

электронные компоненты №2 2009

65


Таблица 1. Поправочные коэффициенты для расчета рабочей дистанции

Рис. 4. Схема включения микросхемы-датчика

связи высокочастотного генератора. В случае отсутствия объектов в области действия поля электродов емкость датчика и амплитуда колебаний имеют низкое значение. По мере приближения объекта к чувствительной поверхности датчика емкость увеличивается, частота колебаний ВЧ-генератора снижается, и это снижение частоты преобразуется в рост выходного напряжения схемы. Пороговая выходная схема датчика вырабатывает сигнал «вкл» или «выкл». Измеряемая емкость зависит от площади поверхности электродов (S), дистанции (d) и диэлектрической постоянной материала (ε) между ними: C ~ (εS)/d. Работа емкостного датчика зависит от того, какой объект к нему приближен, проводит ли материал электрический ток, заземлен объект или нет. От св��йств материала зависит рабочая дистанция датчика, поэтому при ее расчете необходимо учитывать поправочный коэффициент (см. табл. 1). Данный коэффициент зависит от диэлектрической постоянной материала. Схема включения микросхемы-датчика изображена на рисунке 4. Этапы разработки

66

Сенсорные микросхемы BxTS специально разработаны для того, чтобы помочь разработчику построить прототип сенсорной панели управления за несколько часов, а не месяцев, сократить время запуска серии в производство и выхода изделия на рынок. Используя средство разработки B6TWorkbench, инженеры могут экспериментировать с параметрами микросхемы, чтобы достигнуть желаемой чувствительности и качества работы сенсорной панели еще до установки ее в макет готового устройства. Сначала разработчик принимает решение относительно внешнего вида и материала передней панели. Затем вводит требуемые параметры в программное обеспечение для того, чтобы симулятор смог оценить, является ли предложен-

Рис. 5. Встроенный калькулятор констант

WWW.ELCP.RU

Материал

Диэлектрическая постоянная материала, ε

Поправочный коэффициент, Km

Воздух, вакуум

1

0

Бумага

1,2...3

0,15… 0,3

Керосин

2,2

0,2

Хлорвинил

3

0,3

Стекло

3...10

0,3… 0,75

Дерево

2...7

0,2… 0,7

Спирт

25

0,85

Метанол

33,5

0,92

Вода

31

1

ное решение рабочим. Достаточно ввести лишь размеры, форму, материал и длину проводника по отношению к контактной площадке. «Играя» этими параметрами, пользователь добивается приемлемой работоспособности системы. При такой программной симуляции не требуется дополнительных финансовых затрат. В результате программа автоматически рассчитает номиналы необходимых резисторов и конденсаторов (см. рис. 5). Далее разработчик изготавливает образец сенсорной панели, используя расчеты, полученные в симуляторе, и подключает ее к средству разработки B6TWorkbench. Cамообучающийся алгоритм датчика B6TS устанавливает параметры панели полуавтоматически в соответствии с требованиями пользователя. Только пять параметров необходимы для калибровки панели: опорная величина чувствительности, пороговая величина чувствительности, гистерезис, интеграл обнаружения (задержка на изменения состояния выхода) и компенсация дрейфа (на весь срок службы панели, работающей в режиме «включение-выключение»). Используя окно монитора реального времени в программном обеспечении B6Tworkbench (см. рис. 6), пользователь имеет возможность наблюдать схему работы образца сенсорной панели. Это позволяет оценивать работу при контакте с разными поверхностями (например, при прикосновениях большим или маленьким пальцами, пальцем в перчатке, сухим или мокрым пальцем). На основе полученных результатов выбираются подходящие параметры, и после этого опытный образец клавиатуры готов к массовому производству. Заключение

Компания Omron выпустила не только серию микросхемдатчиков прикосновений, но и предоставила разработчикам бесплатное программное обеспечение, которое


Рис. 6. Окно симулятора среды B6Tworkbench

позволяет конструировать клавиатуру в соответствии со специфическими потребностями конкретной разработки. При таком подходе время разработки сокращается до минимума, а это немаловажный аргумент при выборе подходящего решения. Рынок емкостных сенсорных датчиков является ключевой сферой деятельности компании Omron,

что обязывает ее постоянно расширять ассортимент и качест­во своей продукции. Более подробную информацию о новой серии датчиков BxTS компании Omron можно получить по тел.: (812) 324-63-50 или эл. почте: andrey.mamrukov@petrointrade.ru

Новости мобильных технологий

| Преобразователи энергии для солнечных батарей | Компания Freescale Semiconductor разработала гибридную ИС, преобразующую сигнал единичного солнечного элемента в электроэнергию. Новинка позволяет получать не только фотогальванические ячейки, термоэлектрические и электромагнитные генераторы, но и источники биоэлектрической энергии. Главное преимущество представленного преобразователя заключается в том, что он работает при напряжении 0,32 В и может принимать энергию от маломощных источников. Другими словами, если раньше экологически чистые источники энергии необходимо было объединять, чтобы получить достаточную мощность, то теперь в этом нужды нет. По данным Freescale, КПД преобразователя составляет 82—90%, а для ослабления паразитных эффектов корпус ИС изготавливается по технологии FCOL (flip-chip on leadframe — перевёрнутый кристалл с внешними выводами). Недостатком разработки можно назвать потребность в использовании дополнительных навесных компонентов. www.russianelectronics.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Трассировка печатных плат в компании «Абрис» | Компания «Абрис» холдинга RCM Group сообщает об оказании новой услуги. Если у Вас есть разработанная принципиальная электрическая схема будущего изделия, но не хватает ресурсов для корректной трассировки современных печатных плат, зачастую сложных и высокотехнологичных, технические специалисты компании «Абрис» готовы выполнить этот вид работ. В качестве входных данных от заказчика потребуются: схема электрическая принципиальная, спецификация, габаритный чертеж печатной платы и техническое задание. После исправления замечаний к предварительной компоновке и согласования окончательного варианта размещения компонентов выполняется предварительная разводка всех цепей на печатной плате. Вариант трассировки предоставляется заказчику, и в режиме постоянного взаимодействия с ним согласуется и окончательный проект. Вся техническая документация, необходимая для производства ПП, передается заказчику. В дальнейшем компания «Абрис» предоставляет услуги по изготовлению опытных образцов данного изделия и серийному производству электронного блока. www.rcmgroup.ru | Акционеры AMD проголосовали за разделение компании | Компания AMD получила необходимое число голосов для своего разделения на две части. Одна часть — собственно AMD — продолжит разрабатывать процессоры, но не будет их выпускать. Вторая компания, которой AMD будет владеть совместно с арабской ATIC, будет заниматься производством. Напомним, в начале февраля в голосовании приняли участие только 42% акционеров, однако для того чтобы голосование было признано состоявшимся, в нем должно участвовать большинство держателей акций. «Мы дали нашим акционерам слишком мало времени», — сказали в AMD. По состоянию на 18-ое февраля необходимое число голосов получено. Сделку планируется завершить ко 2-му марта 2009 г., сообщает DailyTech. Чистые убытки AMD в IV кв. 2008 г. составили 1,42 млрд. долл. Компания работает в убыток на протяжении более двух лет с IV кв. 2007 г. Ожидается, что предстоящее разделение поможет восстановить прибыль. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №2 2009

67


NAND ИЛИ NOR… КАКУЮ ФЛЭШПАМЯТЬ ВЫБРАТЬ ДЛЯ ПРОЕКТА? Виджай Девадига (Vijay K. Devadiga), ст. менеджер по продажам, Silicon Storage Technology Inc. Различные приложения и выполняемые функции требуют использования различных видов флэш-памяти. В статье обсуждаются особенности применения NAND- и NOR-памяти для хранения кода программы и данных системы. Описывается универсальное решение для подсистемы памяти на базе RAM, NAND- и NOR-памяти, сочетающее преимущества обоих типов флэшпамяти. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1].

С та н д а р т н ы е ц и ф р о в ы е микросхемы и память

68

С момента появления в 70-х гг. прошлого века встраиваемых систем на этом рынке все время ожидали закулисного персонажа под названием «универсальная память», который, наконец, выйдет на сцену и заменит всю иерархию памяти, доставшуюся в наследство от больших ЭВМ, миниЭВМ и настольных компьютеров. Эти ожидания усилились с появлением встраиваемых, мобильных, портативных компьютеров, и кандидаты на роль универсальной памяти появились на сцене. Некоторые персонажи — такие как EEPROM, EPROM, УФ-EPROM, ферроэлектрическое RAM и др. варианты псевдо-RAM — были отклонены. Другие кандидаты — например, магнитные RAM, рассматривались, однако их перспективы были сомнительны по ряду экономических и технических причин. В то же время некоторые действующие лица «пьесы», в частности, различные типы флэш-памяти NAND и NOR, рекламируются производителями как кандидаты на роль универсальной памяти или, по крайней мере, как родственники или близкие друзья этого персонажа. К этим разновидностям флэш-памяти относятся следующие типы устройств: OneNAND, OrNAND, iNAND, GBNAND, moviNAND, ManagedNAND и NANDrive. Флэш-память является наиболее практичным решением для таких систем, однако ключевое значение имеет выбор типа флэш-памяти, который наилучшим образом подходит для разрабатываемого проекта. Какой же выбор будет оптимальным? Использование недорогой флэшпамяти NAND большой емкости требует применения системы контроля дефектов, что усложняет подсистему памяти. Кроме того, возникает необходимость поддержки различных типов памяти и интерфейсов разных производителей. Полностью управляемая подсистема памяти может содержать интерфейс стандартной памяти RAM (PSRAM или SDR/ DDR SDRAM). Такая подсистема памяти обеспечивает интеграцию с процессором хоста и исключает необходимость контроля памяти со стороны системы.

www. elcp.ru

NOR-память появилась раньше NANDпамяти и в настоящее время широко применяется во встраиваемых системах. NORпамять используется как для хранения кода программы, так и данных. Основным ее преимуществом является непосредственное исполнение кода из флэш-памяти (execute-in-place — XIP). К тому же NORпамять можно непосредственно соединить с хост-процессором, что упрощает проект и уменьшает время разработки. С ростом использования функций мультимедиа во встроенных системах увеличивается также потребность в объеме хранимых данных и кодов программ. Для таких приложений использование NOR-памяти большой емкости для хранения кодов и данных становится менее рентабельным по сравнению с использованием NAND-памяти. При этом максимальная емкость NOR-памяти в настоящее время ограничена 1 Гбит. NAND-память для хранения данных и кода

NAND-память удобна для использования в приложениях, требующих хранения кода значительной величины (такого, как операционная система (ОС) или приложение) и больших объемов данных, т.к. NAND-память не дорога, а ее емкость достигает 16 Гбит на кристалл. В отличие от NOR-памяти, NAND-память не поддерживает непосредственное выполнение кода (XIP) или произвольную выборку. В результате в некоторых системах, использующих NAND-память, требуется также NOR-память малой емкости для системной загрузки и выполнения кода BIOS. В других системах функции начальной загрузки может выполнять контроллер NAND-памяти или встроенная загрузочная ROM хост-процессора. После загрузки системы на базе NAND-памяти для выполнения кода используется либо затенение кода (shadowing), либо выделение страниц по запросу (demand paging). В случае затенения вся ОС и приложения копируются из NAND-памяти в системную RAM, а во втором случае — ОС и приложения копируются в системную RAM по частям и выполняются по мере необходимости.

Хотя NAND-память недорога и имеет большую емкость, чем NOR-память, она менее надежна и требует применения технологии контроля дефектов, включая обнаружение и коррекцию ошибок, а также механизм выравнивания износа (wearleveling) во многих приложениях. Для реализации этих функций управления флэшпамятью требуются сложные аппаратные и программные средства. На рисунке 1 изображена система, в которой управляющий чипсет (хост) связан с NAND-памятью. В такой системе функции контроля ошибок должны выполняться этим чипсетом. Запуск функций управления на хосте требует некоторой доработки программного обеспечения, а также использования ресурсов ЦП и памяти хоста, что снижает общую производительность системы. С уменьшением проектных норм длина кода коррекции ошибок для NAND-памяти с одноуровневыми ячейками (single-level cell — SLC) увеличилась с 1 до 4 бит на 512-байт сектор, а для NAND-памяти с многоуровневыми ячейками (multi-level cell — MLC) — с 4 до 8  бит на 512-байт сектор. Размер страницы увеличился с 512 до 4096 байт. Ресурс некоторых типов SLC NANDпамяти с уменьшенными проектными нормами снижен со 100 тыс. до 50 тыс. циклов перезаписи, а для MLC NAND-памяти — с 10 тыс. до 5 тыс. циклов (в некоторых случаях до 3 тыс. циклов). Для того чтобы снизить количество элементов в системе, многие производители интегрируют контроллер NAND-памяти в чипсет, который непосредственно подключается к отдельной NANDпамяти. Однако из-за длительного цикла проектирования производителю чипсета довольно сложно отслеживать изменения в технологии NAND-памяти. Поэтому функциональные возможности встроенного в чипсет контроллера NAND-памяти будут всегда отставать от технологии NAND-памяти. Существует несколько решений, подобных NAND-памяти, которые по­зво­ляют улучшить производительность и функциональные возможности стандартной NANDпамяти. Например, флэш-память OneNAND является разновидностью NAND-памяти, которая сочетает в одном устройстве RAM и отдельную SLC NAND-память для обеспе-


Рис. 2. Система с управляемой NAND-памятью для хранения данных

Рис. 3. Система с гибридным устройством памяти, содержащим RAM и управляемую NAND-память

чения начальной загрузки и увеличения скорости выборки. OneNAND-память требует 1-бит код коррекции ошибок для каждого 512-байт сектора и управление функциями, реализованное либо на чипсете, либо с помощью отдельного контроллера. Другая разновидность NAND-памяти — OrNAND-память содержит MirrorBit NORпамять с интерфейсом NAND-памяти, что обеспечивает уменьшение времени записи по сравнению с обычной NOR-памятью. OrNAND-память также требует применения системы коррекции ошибок с длиной кода 1 бит, реализованной на чипсете или на отдельном контроллере для обеспечения надежной загрузки системы. Кроме того, максимальная емкость OrNAND-памяти в настоящее время ограничена 1  Гбит, что уступает емкости NAND-памяти.

NAND-памяти включают iNAND, GBNAND, moviNAND, Managed NAND и NANDrive. Они используются в основном для хранения данных. Эти решения позволяют уменьшить сложность системы благодаря эффективному управлению NAND-памятью с помощью встроенного контроллера и файловой системы флэш-памяти (flash file system — FFS), как показано на рисунке 2. Эти устройства используют стандартные интерфейсы, например Secure Digital (SD), MultiMediaCard (MMC) или Advanced Technology Attachment (ATA). Например, iNAND и GBNAND используют интерфейс SD, moviNAND и Managed NAND — интерфейс MMC, а NANDrive — интерфейс ATA. Эти устройства не поддерживают непосредственное выполнение кода (XIP), поэтому для обеспечения загрузки в таких системах необходима NOR-память. Использование управляемой NANDпамяти исключает необходимость реализации сложных функций управления памятью на хосте. В результате у производителей чипсетов нет необходимости постоянно следить за изменениями в технологии NAND-памяти.

ки системы, разработчикам приходится использовать для этого более дорогую NOR-память. Однако в последнее время появились гибридные решения, например флэш-память mDOC H3. В таких гибридных системах используются RAM и управляемая NAND-память в пределах одного устройства, что упрощает построение системы, как показано на рисунке 3. Гибридная память позволяет решить проблему загрузки, связанной с использованием управляемой NAND-памяти. Она обеспечивает загрузку системы непосредственно из NAND-памяти, исключая необходимость применения более дорогой NOR-памяти, что снижает общие системные затраты. Гибридная память также позволяет снизить число компонентов в системе и габариты, что имеет важное значение для таких приложений как сотовые телефоны. Эти решения обес­ печивают большую емкость памяти, т.к. используют NAND-память. С другой стороны, гибридная NANDпамять имеет большее время загрузки, поскольку необходимо скопировать загрузочный код из NAND-памяти в загрузочную RAM после включения питания. Кроме того, гибридная NAND-память более сложна, ее трудно интегрировать в систему, а для работы с ней требуется ОС, которая поддерживает выделение

Управляемая NAND-память для хранения данных

Из-за ограниченных возможностей встроенного контроллера NAND-памяти многие системные разработчики используют решения на основе управляемой (managed) NAND-памяти. Некоторые производители предложили продукты на основе управляемой NAND-памяти, которые позволяют снизить сложность обычной подсистемы памяти во встраиваемом приложении. Варианты управляемой

Гибридные решения на основе управляемой NAND-памяти

Поскольку управляемая NAND-память не обеспечивает возможность загруз-

электронные компоненты  №2 2009

69 С та н д а р т н ы е ц и ф р о в ы е микросхемы и память

Рис. 1. Система, состоящая из чипсета хоста, соединенного с автономной NAND-памятью


чтобы полностью освободить хостсистему от выполнения этих функций. Подсистема памяти следующего поколения

а)

б) Рис. 4. Пример системы в одном корпусе, состоящей из контроллера памяти со встроенной загрузочной NOR-памятью, NAND-памяти и RAM: а) блок-схема, б) распределение памяти

С та н д а р т н ы е ц и ф р о в ы е микросхемы и память

70

страниц по запросу (demand paging) на хосте. Флэш-память mDOC H3 использует шину NOR-типа для связи с процессором хоста и обеспечивает более быстрое считывание, чем NAND-память, и более быструю запись, чем NOR-память. Из-за большей скорости записи эти устройства подходят для хранения мультимедийных данных. Использование управляемой NANDпамяти или даже гибридной управляемой NAND-памяти с возможностью загрузки системы не позволяет в значительной степени упростить построение подсистемы памяти. Разработчики все еще должны учитывать различные типы памяти и интерфейсов разных производителей и другие особенности системы. Такие типы подсистем памяти часто требуют использования множества компонентов с большим количеством выводов, разработки сложных аппаратных и программных средств. Это увеличивает стоимость системы, площадь печатных плат, время разработки и потребляемую мощность. Кроме того, увеличивается сложность внешнего контроллера памяти в процессоре хоста. Для современных систем необходимы удобные для пользования полностью управляемые подсистемы памяти для хранения данных

www. elcp.ru

и кода со стандартной шиной и RAM, интегрированные в одном устройстве. Разработчики нуждаются в подсистеме памяти, которая обеспечивает хранение сотен Мбит кода с возможностью непосредственного выполнения (XIP), а также удовлетворяет растущим требованиям по хранению мультимедийных данных. Такая система должна сочетать преимущества NOR-памяти (быстрое чтение), NAND-памяти (низкая стоимость и большая емкость) и RAM (удобное обращение по шине). Это решение также должно быть простым в использовании и не сложным при проектировании. Такая система требует минимальной дополнительной разработки аппаратных и программных средств, имеет стандартный интерфейс связи с чипсетом хоста или процессором без использования дополнительной логики и обеспечивает такой же простой и удобный доступ, как к SRAM. Встроенный контроллер этой подсистемы памяти должен обеспечивать коррекцию ошибок, управление дефектными блоками и выравнивание износа (wear-leveling) NAND-памяти. Контроллер должен иметь возможность также управлять встроенной памятью всех типов (NOR, NAND и RAM) для того,

В настоящее время на рынке доступны подсистемы памяти, обладающие всеми теми преимуществами, о которых говорилось выше. Одна из таких систем памяти в одном корпусе, конфигурация которой показана на рисунке  4, состоит из контроллера памяти со встроенной загрузочной NOR-памятью, NAND-памяти и RAM. Используя кэш RAM перед NANDпамятью, контроллер обеспечивает выделение страниц по запросу и другие функции управления памятью. Кроме того, кэш RAM обеспечивает линейную адресацию подсистемы памяти наподобие SRAM. Блок RAM разделен на две части, которые доступны со стороны хоста и могут быть сконфигурированы пользователем: кэш для псевдо NOR-памяти (PNOR) и системная RAM для хоста. Блок NANDпамяти используется для энергонезависимого хранения данных для области PNOR и отображения в памяти ATA NANDдиска. Конфигурируемый PNOR-блок эмулирует функцию NOR, используя кэш RAM и NAND-память. Поскольку NANDпамять используется как основной блок энергонезависимой памяти, это решение обеспечивает хранение достаточно крупного XIP-кода и способно эффективно заменить традиционное решение на базе более дорогой NOR-памяти большой емкости. С помощью стандартного протокола ATA по стандартной шине RAM (PSRAM или SDR/DDR SDRAM) это решение обеспечивает достаточную емкость для хранения данных в мультимедийных приложениях, использующих интерфейс ATA. Кроме того, кэш RAM в PNOR-блоке также способствует увеличению ресурса флэш-памяти и надежности хранения кода и данных посредством минимизации циклов чтения/записи NAND-памяти. Поскольку устройство предлагается в компактном корпусе, такая подсистема управляемой памяти способна упростить построение интерфейса и системы, уменьшает время разработки, снижает общую стоимость решения и улучшает качество и надежность. К другим преимуществам относятся конфигурируемая пользователем псевдо NOR-память для хранения XIP-кода; надежная система детектирования и коррекции ошибок MLC и SLC NAND-памяти и возможность масштабирования системы для увеличения емкости памяти. Не требующая серьезных затрат на разработку аппаратных и программных средств, такая подсистема памяти может стать тем долгожданным персонажем из пьесы Беккета. Литература 1. Employ the proper flash memory in your design, Vijay Devadiga//www.embedded.com.


Измерения характеристик современных РЛС с ЛЧМ Том Хилл (Tom Hill), ведущий инженер, Tektronix Измерение параметров современных РЛС, использующих линейную частотную модуляцию, связано со многими проблемами, которые приходится решать проектировщикам системы. Для таких измерений всегда требовались сложные тестовые системы, состоящие из нескольких устройств. Использование единственного автоматического измерительного прибора позволяет упростить процедуру тестирования и улучшить воспроизводимость результатов. В статье обсуждаются различные виды измерений параметров сигналов, используемых в современных РЛС с ЛЧМ с полосой пропускания до 20 ГГц. Статья представляет собой перевод [1]. Проблемы измерения параметров радиолокационных сигналов

Измерения параметров широкополосных сигналов — как непрерывных (CW), так и FM-импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) — с помощью традиционных методов тестирования часто вызывают затруднения. С уменьшением длительности импульсов ширина полосы пропускания ЛЧМ-сигналов становится сравнимой с отклонением FM-модуляции, даже при более низкой частоте синхронизации. В настоящее время доступны приборы с радиочастотным (РЧ) преобразованием, полосой оцифровки до 110 МГц, использующие автоматические процедуры измерения параметров сигналов. Некоторые из измерительных программ, применяемых в этих РЧ-анализаторах, могут быть также использованы в широкополосных цифровых осциллографах, что обеспечивает измерение импульсов и ЛЧМсигналов с шириной полосы до 20 ГГц. Такой прибор способен выполнять множественные тесты, используя данные одиночного измерения исследуемого устройства. Тесты могут включать измерение РЧ-мощности, спектральный анализ, детектирование паразитного сигнала, определение временных параметров импульсов, измерение отклонения частоты и фазы, линейности ЛЧМ, точности цифровой модуляции и т.д.

экрана прибора, частота которого обычно составляет от 30 до 50 раз в секунду. Специализированная аппаратура для иследования радиолокационных сигналов обеспечивает в настоящее время более 48 тыс. измерений спектра в секунду, что можно отобразить на дисплее с цветовой градацией. На рисунке 2 изображены два представления одного и того же CW-импульса РЛС с неустойчивой интерференцией.

Рис. 1. Запускающий сигнал пересекает частотную маску

Обнаружение скрытых частот

Перед измерением характеристик сигналов требуется обеспечить надежный запуск измерений в частотной области. Одной из последних разработок является так называемый «запуск по частотной маске» (Frequency Mask Trigger). Эта технология позволяет задать ограничивающую маску по частоте и амплитуде, которая автоматически сравнивается со спектром входного сигнала. Каждый раз при попадании сигнала в пределы маски будет запускаться механизм захвата сбойной ситуации. На рисунке 1 показано, как запускающий сигнал пересекает частотную маску. Традиционный запуск осуществляется по сигналу высокого уровня, который находится в области ПЧ и не позволяет обнаружить малые сигналы. Предложенный механизм захвата обеспечивает захват даже самых коротких сигналов с вероятностью 100%.

71

Исследования низкоуровневых паразитных сигналов в спектре

Еще одним усовершенствованием стала дополнительная вычислительная мощность для преобразования частоты, достаточная для отображения изменяющихся во времени нежелательных сигналов, которые могут попасть в ЛЧМимпульс. Традиционные анализаторы спектра выполняют одно измерение спектра сигнала для каждого обновления

Рис. 2. Меняющаяся интерференция импульсов в спектре сигнала

электронные компоненты №2 2009


не видны. При скорости обновления измерений 48 тыс. спектр./с быстроменяющиеся сигналы становятся видимыми на осциллограмме. Автоматические измерения параметров сигнала

Рис. 3. Высокая скорость измерения спектра позволяет увидеть перекрывающиеся сигналы

Для того, чтобы увидеть эти неустойчивые сигналы, требуется обновлять измерения спектра быстрее, чем при традиционных методах измерений. Верхняя часть рисунка 2 отображает результаты измерений спектра со скоростью 50 изм./с. Из-за невысокой частоты обновления изображение спектра прыгает вверх и вниз. Чрезвычайно трудно увидеть низкоуровневый сигнал внутри сигнала РЛС. Как показано на рисунке, для стабилизации изображения используется запуск по импульсу. Нижняя часть рисунка 2 отображает тот же сигнал РЛС при скорости обновления спектра 48 тыс. изм./с в виде цветовых переходов. При таком способе измерения низкоуровневые сигналы становятся отчетливо заметными даже на фоне импульса РЛС. В этом случае, чтобы увидеть оба эти сигнала одновременно, нет необходимости в запуске. Такая интерференция проходит по сигналу в течение нескольких миллисекунд и повторяется с интервалом 2 с.

72

Анализ ЛЧМ-сигнала

На рисунке 3 представлено изображение спектра (вверху) традиционного анализатора спектра. Он осуществляет 30…50 изм./с, что значительно быстрее, чем в ранее применявшейся технологии. На данной осциллограмме совмещен режим основного дисплея и отображения максимального измеренного значения. Даже при таком режиме можно построить лишь контур самого большого по амплитуде в данный момент сигнала. На осциллограмме виден контур ЛЧМ-сигнала, даже можно увидеть большую несущую частоту слева на дисплее, но не видны наложения других сигналов. При быстром обновлении спектральных измерений можно отчетливо увидеть реальную структуру ЛЧМ-сигнала РЛС, как показано в нижней части рисунка 3. Становится видна полная картина передаваемого сигнала: заметны более мелкие паразитные сигналы, как и другие нежелательные сигналы, которые раньше были совершенно

WWW.ELCP.RU

Необходимо анализировать сигнал как в частной, так и во временной областях. В зависимости от измеряемых параметров, существуют три основных типа автоматических тестов. 1. Измерения в частотной области. Они включают измерения спектра передаваемого сигнала, спектральной мощности основного и соседних каналов, исследование паразитных сигналов, которые могут быть вызваны различными причинами, включая проблемы с программным обеспечением в управляющем компьютере или в генерирующем сигналы DSP. 2. Измерения вре��енных параметров единичного импульса (измерения короткого кадра — Short Frame Measurements). Эти тесты определяют длительность импульса, период следования импульсов, время нарастания и спада и погрешность модуляции. 3. Измерения множественных импульсов (измерения длинного кадра — Long Frame Measurements). Анализ параметрического тренда показывает различия между индивидуальными импульсами, которые могут вызывать ошибки в радиолокационных данных. Ручные измерения требуют визуального контроля формы сигнала. Современные методы автоматизированных измерений самостоятельно анализируют форму каждого импульса. Вначале определяются моменты начала и окончания импульса, низкий и высокий уровень импульса и несущая частота. Затем измеряются остальные параметры, и составляется таблица результатов измерений. Таблица статистики сигнала (Pulse Statistics) обеспечивает комбинированный анализ последовательности импульсов, предлагая как отображение тренда результатов измерений, так и БПФ серии полученных данных. Это позволяет анализировать изменения результатов измерений во времени. Например, постоянное увеличение фазы сигнала говорит об отрицательном смещении частоты импульса или может отражать доплеровский сдвиг постоянной скорости в принимаемом сигнале. Выявление неполадок с помощью анализа тренда измерений

Случайная фазовая или амплитудная модуляция сигналов РЛС может вызывать проблемы при эксплуатации радиолокационного оборудования. Например, выходное напряжение самолетных источников питания, преобразующих 400-Гц переменный ток в высоковольтное постоянное напряжение, может быть недостаточно хорошо отфильтровано от помех. Это может приводить к паразитной модуляции на СВЧ-усилителе мощности, который используется для передачи сигналов РЛС, что приводит к отклонениям амплитуды импульсов с частотой источника переменного тока. Быстрое определение источника проблемы, в данном случае модуляции источника питания, может быть довольно сложной задачей. Для этого с помощью обычного анализатора спектра следует попытаться уловить низкоуровневую узкополосную модуляцию в широкополосном сигнале. Усовершенствованный метод, использующий построение диаграммы статистики сигнала (Pulse Statistics), способен определить 400-Гц модуляцию в спектре сигнала шириной несколько мегагерц. Например, при анализе измерений средней активной мощности можно увидеть небольшие отклонения ампли-


Рис. 4. Выполнение БПФ на основе результатов измерений, меняющихся во времени

туды от импульса к импульсу. Даже малые отклонения (скажем, 0,2 дБ) могут быть незамечены, пока их не представить в виде тренда. Тогда можно увидеть вариации параметров, которые являются периодическими. Но даже при этом нет возможности легко определить частоту, с которой происходит этот процесс. Лучше всего такого рода процессы наблюдать в частотной области. Преобразование данных, изменяющихся во времени, в частотную область позволяет легко определить природу модуляции и предоставляет важнейшую информацию о ее источнике. Спектральное представление позволяет определить, происходит модуляция на одной частоте или на нескольких частотах. Это обеспечивается при выполнении БПФ на основе результатов измерений, меняющихся во времени (см. рис. 4). В этом случае БПФ позволяет увидеть в спектре сигнала 400-Гц модуляцию.

отклонения фазы. На осциллограмме отклонения фазы измерительного прибора можно увидеть значения фазы по всей ширине импульса, так что видна параболическая форма фазовых изменений (см. рис. 6, верхняя часть).

Сжатые импульсы (ЛЧМ-сигналы)

РЛС используют различные виды ЛЧМ. Наиболее широко применяется линейная FM-модуляция. ЛЧМ позволяет использовать сжатие сигнала в цепях обработки приемника, что обеспечивает детальное разрешение по дальности за счет большей длительности передаваемого импульса. В настоящее время стали доступны автоматизированные методы измерения параметров импульса для ЛЧМсигналов. Основным показателем является общая полоса частот ЛЧМ-сигнала. Критичными параметрами являются линейность изменения частоты и, особенно, фазы ЛЧМ. Эти параметры отражают способность РЛС распознавать индивидуальные цели без ложных ответных сигналов, которые могут вызывать неоднозначность определения дальности. Для того чтобы увидеть и измерить частотную погрешность более точно, предусмотрен специальный тест, который вырезает идеальный ЛЧМ-импульс из осциллограммы отклонения частоты. В результате отображается лишь разность между реальным и идеальным ЛЧМ-сигналом. Кроме того, можно определить числовое значение как пиковой, так и среднеквадратичной погрешности при измерениях параметров импульса. На рисунке 5 изображена осциллограмма погрешности частоты ЛЧМ-импульса. В данном случае линейность частоты весьма высокая, хотя имеются переходные процессы в начале и конце импульса.

Рис. 5. Осциллограмма погрешности частоты

73

Измерения фазы ЛЧМ-сигнала

Более важным параметром, чем линейность частоты, является линейность фазы сигнала. Для сжатых импульсов важнейшим фактором, определяющим параметры движения цели, является фаза обратного импульса в пределах его длительности; множественные цели в пределах ширины импульса производят множественные

Рис. 6. Максимальная фазовая погрешность данного ЛЧМ-импульса составляет 19˚

электронные компоненты №2 2009


для любого выбранного времени в пределах длительности импульса. Сигналы с псевдослучайной перестройкой частоты

Рис. 7. Перестройка частоты в пределах импульса (слева – линейная, справа – случайная)

Рис. 8. Представление результатов измерений в виде таблицы на осциллографе

74

Такая осциллограмма показывает полный размах изменений фазы в ЛЧМ-импульсе. Самым важным показателем является точность соответствия фазы данного ЛЧМ-импульса фазе идеального ЛЧМ-импульса. На нижней осциллограмме рисунка 6 показана погрешность фазы. Ясно видна нелинейность ее изменения (квадратичная погрешность). Заметим, что после вычитания фазы идеального ЛЧМ-импульса пиковая погрешность составляет 19˚ из общей фазы ЛЧМ-сигнала равной 4959˚. Измерения частоты и, в особенности, фазы весьма чувствительны к помехам. Отношение сигнал-шум пропорционально полосе пропускания, в которой производятся измерения. Следовательно, при захвате сигнала в широкой полосе пропускания пользователь может выбрать более узкополосный фильтр для обработки сигнала так, чтобы уменьшить помехи на осциллограмме. Измерения параметров последовательности импульсов

Измерения отклонений параметров одного импульса относительно другого позволяет исследовать модуляцию передаваемого сигнала, которая может вызывать погрешности в работе приемника РЛС. Сравнительные измерения фазы или амплитуды импульсов можно запрограммировать

WWW.ELCP.RU

Некоторые РЛС могут использовать другие формы сжатия импульсов. Для обработки ЛЧМ-сигналов обычно требуются производительные DSP. Сравнительно простую схему приемника можно построить с использованием набора ПАВ-фильтров, каждый из которых настроен на определенную частоту. Передатчик с псевдослучайной перестройкой частоты (ППРЧ) является идеальным передатчиком для работы с простыми приемниками. Частота каждого передаваемого импульса перестраивается в соответствии с частотами ПАВ-фильтров приемника. Дальнейшим развитием этого метода явилось использование полностью случайной последовательности частот, что затрудняет анализ параметров РЛС и предотвращает возможность постановки помех работающей РЛС. Измерения параметров импульса РЛС с множественной перестройкой частоты в пределах каждого импульса требуют широкополосной аппаратуры. Спектрограммы на рисунке 7 показывают изменение частотного спектра во времени с одновременным отображением вариаций амплитуды импульса (выделены красным цветом). На рисунке показан импульс длительностью 7 мкс с линейной перестройкой частоты с шагом 1 мкс. Общая ширина полосы частот равна 90 МГц. Перекрытие БПФ на спектрограммах показывает, что вариации частоты меняются со временем. На правом экране можно увидеть импульс со случайной перестройкой частоты. Спектрограммы наглядно показывают последовательность перескоков частоты. Благодаря использованию перекрывающихся процессов БПФ имеется возможность ясно увидеть последовательность перестройки частоты в пределах и значительно более короткого импульса. Для точных измерений как частотных, так и временных параметров можно использовать маркеры на осциллограмме, отображающей изменение частоты во времени. На ней можно детально увидеть частотную картину, включая переходные процессы из-за перерегулирования передатчика, а также влияние работы фильтров в цепи сигнала. Изменения частоты можно измерить с разрешением до 7 нс на выборку при ширине полосы 110 МГц, используя синфазные и сдвинутые на 90° значения. Сигнал с очень широкой полосой

На осциллографе можно установить также некоторые из программных средств, используемых для специализированных измерений параметров импульсов в РЧ-области. Это позволяет расширить измеряемую ширину полосы с��гнала до 20 ГГц. Несмотря на то, что этот метод не работает в режиме реального времени при использовании быстродействующего процессора, он обеспечивает чрезвычайно широкую полосу измерений. При этом возможен также экспорт захваченных данных (как в случае с РЧ-анализатором спектра) для дальнейшего анализа с помощью внешнего программного инструмента, например Matlab®. На рисунке 8 представлены результаты измерений ЛЧМсигнала с полосой 2 ГГц в виде таблицы. Программные средства способны оптимизировать измеренный спектр точно по ширине одного их захваченных импульсов, как показано на нижнем экране рисунка 9. Выбор подходящего оборудования

Выбор измерительного оборудования определяется предельными параметрами измеряемого сигнала. В


Таблица 1. Критерии выбора тестового оборудования Параметр

Анализатор спектра Осциллограф ×

Широкая полоса пропускания Большой динамический диапазон (больше разрядов)

×

Длительное время записи

×

Анализ модуляции

×

Очень короткое время нарастания импульса

×

Очень короткая длительность импульса

×

Анализ спектра сигнала

×

Анализ тенденции изменения параметра

×

таблице 1 представлены некоторые общие требования к измерениям и необходимые для их выполнения приборы. В заключение следует отметить, что производители тестового оборудования стремятся постоянно удовлетворять требования разработчиков радиолокационных

Рис. 9. Спектр 2-ГГц ЛЧМ-сигнала

систем. Для усовершенствованных РЛС с ЛЧМ-сигналом доступны разнообразные специализированные тесты. Литература 1. Measuring Modern Frequency Chirp Radars, Tom Hill//www.tek­tro­ nix.com/radar

ноВОСТИ МОБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

| В Аризоне создали гибкий сенсорный дисплей | Центр по разработке гибких дисплеев (FDC), работающий в рамках Аризонского государственного университета, объявил о создании первого гибкого сенсорного экрана с активной матрицей. Как сообщается, устройство основано на технологии электрофоретического экрана с активной матрицей корпорации E-Ink, а вместо обычного стекла, используемого в сенсорных дисплеях, в нем применяются материалы DuPont Teijin Films. Недостаток нынешних сенсорных экранов состоит как раз в том, что их нельзя согнуть, не опасаясь сломать твердый стеклянный лист. Гибкий сенсорный дисплей, созданный специалистами из Аризоны, состоит из трех основных частей — дисплея E-Ink Visplex, задней пластиковой панели и собственно сенсорного экрана. Пользователи могут писать на дисплее, сохранять свои записи или стирать их. Это изобретение открывает путь для более крупных устройств, к примеру, интерактивной электронной газеты, которая принесет пользователям много новой информации, сберегая бумагу и леса. Такую газету можно будет спокойно свернуть и положить в карман после прочтения, не опасаясь ее повредить. Как ожидается, первоначально гибкие сенсорные дисплеи поступят на вооружение армии. Этот дисплей намного тоньше существующих стеклянных аналогов, а также имеет больший запас прочности. Эксперты FDC предполагают, что первые потребительские устройства с использованием гибких сенсорных дисплеев будут созданы через полтора года. www.russianelectronics.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

75

| Полупроводниковая индустрия восстановится не ранее 2012 г. | По мнению Морриса Чанга (Morris Chang), исполнительного директора Taiwan Semiconductor Manufacturing Co, индустрия производства полупроводников и интегральных схем пока не достигла своего минимума и худшие времена еще впереди. После того, как дно будет достигнуто, потребуется еще три года, чтобы восстановиться и вернуться на уровни 2007—2008 гг. В интервью Wall Street Journal Чанг выразил предположение, что индустрия полупроводников находится очень близко к своей минимальной точке, но пока она еще не достигнута. При этом он признал, что кризис уже очень ощутимо ударил по высокотехнологичной отрасли. Еще хуже, по мнению Чанга, то, что восстановление после падения будет очень медленным. «Я думаю, что достигнуть показателей начала 2008 г. мы сможем лишь к 2012 г.», — говорит он. В отношении созданной им в 1987 г. Taiwan Semiconductor Чанг сказал, что компания не является исключением и за последние 3 мес. 2008 г. потеряно 31% выручки в сравнении с аналогичным периодом прошлого года. Более того, январская выручка компании упала еще больше — на 58,9%. Еще одним трендом индустрии полупроводников Моррис Чанг называет консолидацию. По его прогнозу, страдать в условиях кризиса будут как производители конечных продуктов потребительского рынка, так и разработчики и сборщики. Двумя наиболее сильными игроками этого рынка, по мнению Чанга, являются компании Samsung и Intel. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №2 2009


Новые компоненты на российском рынке ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Источники питания с зарядным устройством резервного аккумулятора от MeanWell

Компания MeanWell начала производство источников питания в виде открытой платы PSC-60. Новые преобразователи помимо основного имеют дополнительный выход для подключения резервной аккумуляторной батареи (АКБ) с током заряда в пять раз больше зарядных токов источников AD-55. Это позволяет сократить время заряда АКБ либо использовать аккумуляторы с большей емкостью. Источники питания имеют выходы сигнализации пропадания сетевого напряжения и разряда АКБ. В случае пропадания сетевого питания к выходу источника подключается АКБ для обеспечения бесперебойной работы питаемого оборудования, одновременно на выход «AC OK» поступает сигнал тревоги. Также, при разряде АКБ ниже 11 В (для 12-В АКБ) или 22 В (для 24-В АКБ) на выход Bat. Low поступает сигнал тревоги. При дальнейшем снижении напряжения до 10,5 или 21 В производится защитное отключение батареи. Благодаря улучшенной схемотехнике, КПД источников питания увеличен на 10…13%, а диапазон рабочих температур расширен до 70°С. Источник питания PSC-60 соответствуют международным стандартам безопасности и электромагнитной совместимости UL, CUL, TUV, CE и CB. Эти устройства могут применяться в системах безопасности, аварийного освещения, бесперебойного питания, в централизованных системах мониторинга (CMS), системах открывания дверей и т.д. Особенности устройства: – диапазон входных напряжений: 90…264 В АС (47…63 Гц); 127…370 В DC; – КПД до 84%; – диапазон рабочих температур: –20…70°С (температура хранения: –20…85°С); – габариты: 101,6×50,8×29 мм; – защита АКБ от переполюсовки (предохранитель); – сигнал тревоги при пропадании сетевого напряжения или разряде АКБ (TTL c открытым коллектором); – отключение разряженной АКБ. Mean Well www.meanwell.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО 4-канальные миниатюрные DC/DC-преобразователи Mornsun

Компания Mornsun предлагает DC/DC-преобразователи серии Jxx05N-1W. Преобразователи с выходной мощностью 1 Вт выполнены в корпусах DIP-14 (20,4×10,2×18,16 мм) со стандартным промышленным расположением выводов. Диапазоны входных напряжений: 5 и 12 В ±10%. Рабочий температурный

диапазон –40…85°С, прочность изоляции вход-выход 1 кВ (в течение 1 мин), прочность изоляции между каналами 1 кВ (в течение 1 мин). Преобразователи имеют 4 гальванически изолированных канала. Выходное напряжение каждого канала 5 В. Максимальная мощность каждого канала составляет 0,25 Вт. Преобразователь серии Jxx05N-1W успешно замещает 4 одноканальных преобразователя или 2 двухканальных преобразователя. Данная серия является оптимальным решением для задач, в которых требуется обеспечить питание нескольких гальванически изолированных узлов устройства. Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО 2-Вт DC/DC-преобразователи Mornsun с напряжением изоляции 6000 В для поверхностного монтажа

Компания Mornsun предлагает DC/DC-преобразователи серии HxxxxLT-2W. Преобразователи с выходной мощностью 2 Вт выполнены в компактном корпусе (23,9×13,7×7,5 мм) со стандартным промышленным расположением выводов для поверхностного монтажа. Диапазоны входных напряжений: 5, 12 и 24 В ±10%. Рабочий температурный диапазон –40…85°С, КПД до 80%, прочность изоляции вход–выход 6 кВ (в течение 1мин). Преобразователи имеют выходные напряжения 5, 12 и 15 В и снабжены защитой от короткого замыкания. Достоинством данной серии HxxxxLT-2W является малая проходная емкость — 10 пФ. Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

МК И DSP Новые DSP семейства SHARC 2146x с увеличенной производительностью от Analog Devices

Компания Analog Devices объявила о выпуске новых процессоров семейства SHARC 2146x с удвоенной вычислительной мощностью. Увеличение производительности было достигнуто за счет введения акселераторов для операций, широко используемых в алгоритмах обработки сигнала, таких как фильтры с конечной и бесконечной импульсной характеристикой и быстрое преобразование Фурье. Ключевыми особенностями процессоров SHARC 2146x являются:

электронные компоненты №2 2009

77


– наличие аппаратных ускорителей; – увеличенный на 60% (до 5 Мбит) объем памяти SRAM; – высокоскоростной DDR2 SDRAM интерфейс; – параллельный порт для связи нескольких процессоров между собой; – переменная длина кода команды, которая дает выигрыш около 30% памяти для кода приложений. По областям применения новые процессоры делятся следующим образом. – 21469 — процессор для промышленного применения и инструментов. Благодаря встроенному датчику температуры позволяет устанавливать оптимальны�� режим работы путем выбора частоты и напряжения питания, содержит 8 последовательных портов. – 21469W, 21465W и 21462W — процессоры для автомобильных аудиосистем; они содержат встроенный интерфейс MediaLB для работы с MOST® (Media Oriented Systems Transport) сетями. Процессоры 21465W, 21462W содержат аппаратные модули, реализующие функции защиты контента (DTCP). – 21467 — процессор для домашних кинотеатров. Процессоры для аудиоустройств, домашних кинотеатров и автомобильных аудиосистем содержат в ПЗУ кристалла сертифицированные реализации популярных декодеров: DTS-HD® Master Audio, Dolby® Digital Plus, Dolby TrueHD и многие другие, а также встроенный S/PDIF-интерфейс (Sony/ Philips Digital Interface) — стандартный для цифровой звукозаписи. Все семейство 2146x содержит преобразователь частоты выборок. Образцы новых процессоров SHARC будут доступны в первом квартале 2009 г. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО Современный российский микропроцессор цифровой обработки сигнала компании «Миландр»

78

Анонсирование нового сложного изделия в условиях, когда все стараются снизить или оптимизировать свои расходы представляется достаточно незаурядным делом. Однако это так! Более того, новая разработка — не еще одна морально устаревшая микросхема или ее модификация, а абсолютно новый для российского рынка продукт. Это 16-разрядный микропроцессор цифровой обработки сигнала, удовлетворяющий основным требованиям бортовой и наземной аппаратуры специального применения. Оптимизированная архитектура нового DSP сочетает преимущества популярных аналогов и совместимость системы команд с линейкой продуктов TMS320С54. Тактовая частота 80 МГц, напряжение питания 3,3 В, память программ 48К×16 EEPROM, память данных 6К×16 ОЗУ, два USART, 16-разрядный таймер, 40-битовое АЛУ, 17×17-битовое параллельное умножение, команды с 32-разрядными словами, специальные команды для быстрого выполнения алгоритмов цифровой обработки сигнала, интерфейс JTAG, рабочий диапазон температур –60…85°С и т.д. В феврале этого года компания «Миландр» начала поставку аппаратных эмуляторов заинтересованным предприятиям. ЗАО «ПКК Миландр» www.milandr.ru

Дополнительная информация: см. «ПКК Миландр», ЗАО

WWW.ELCP.RU

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Мощные свето­ диоды HPL

Иногда требуется получить максимальный световой поток с небольшой поверхности. Это обеспечивают светодиоды HPL в корпусе размером 4×4 мм, установленные на одном радиаторе. Четыре светодиода HPL серии Rambo 4×4 установлены на один стандартный радиатор типа «звезда». Восемь выводов, доступные с радиатора типа «звезда», позволяют включать либо все 4 светодиода одновременно, либо каждый по отдельности; возможно как последовательное, так и параллельное соединение светодиодов. Для этого достаточно соединить контактные площадки перемычками в зависимости от необходимой схемы подключения. Выбор варианта соединения позволяет применять различные типы истоников питания. При параллельном соединении можно получить большие потребляемые токи, что удобно при использовании гальванических источников питания (батареек), а при последовательном соединении — высокие значения напряжения, что удобно для работы от блока питания с резистором. Светодиоды Rambo обладают высокими характеристиками, в частности, низким тепловым сопротивлением корпуса 8°C/Вт. Световой поток с этой конструкции достигает 300 Лм, углы обзора 60° и 120°. www.powerled.ru

Дополнительная информация: см. «НЕОН-ЭК», ООО Драйверы светодиодов с выходным током до 700 мА от Aimtec

Компания Aimtec предлагает первые две серии драйверов светодиодов с выходными токами 300…700 мА и рабочим диапазоном температур –40…85°С. Серия AMLDL-Z — это DC/DC-преобразователи с входным диапазоном напряжений 7…30 В DC, выходными напряжениями 2…27 В DC и выходными токами 300 или 350 мА в компактном корпусе DIP-14 (20,3×10,2×6,9 мм). Серия AMLD-IZ — это DC/DC-преобразователи с входным диапазоном напряжений 5…36 В DC, выходными напряжениями 2…32 В DC и выходными токами 300, 350, 500, 600 или 700 мА в стандартном корпусе DIP-24 (31,8×20,3×10,2 мм). Внешний вид

Модель

AMLDL-3030Z

AMLDL-3035Z

Корпус

DIP-14 (20,3×10,2× ×6,9 мм)

Входное Выходное Выход­ напряже­ напряже­ ной ток, ние, В DC ние, В DC мА 300 7…30

2…27 350

AMLD-2430IZ

300

AMLD-2435IZ

350

DIP-24 AMLD-2450IZ (31,8×20,3× ×10,2 мм) AMLD-2460IZ AMLD-2470IZ

5…32

2…32

500 600 700


Преобразователи обеих серий снабжены входом дистанционного включения-выключения и входом регулировки яркости свечения светодиодов цифровым (широтноимпульсная модуляция) или аналоговым (изменение напряжения) способом.

Model) при шунтировании входа конденсатором 1 мкФ на землю. MAX14527/MAX14528 поставляются в 8-выводном безсвинцовом корпусе TDFN (2×2 мм) и работают в расширенном температурном диапазоне –40…85°C.

Aimtec Inc. www.aimtec.com

Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com/ru

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

АЦП/ЦАП

38-В операционный усилитель MAX9945 от Maxim

Компания Maxim Integrated Products представляет операционный усилитель MAX9945, в котором отлично сочетается малое энергопотребление и низкий уровень входного шума. Помимо этого, МОП-входы MAX9945 обеспечивают низкий входной ток (50 фА) и низкий входной токовый шум. Микросхемы работают в широком диапазоне напряжений питания (от 4,75 до 38 В) и потребляют всего 400 мкА. MAX9945 скорректированы для единичного усиления и работают в режиме полного размаха (rail-to-rail) выходного напряжения. Микросхемы идеальны для создания портативной медицинской техники и устройств промышленной электроники, для которых требуются малошумящие входные аналоговые цепи, такие как интерфейсные схемы фотодиодов и химических датчиков. MAX9955 поставляются как в 8-выводном корпусе µMAX®, так и в 6-выводном корпусе TDFN и предназначены для работы в автомобильном температурном диапазоне (–40…125°C). Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com/ru

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products Новые микросхемы защиты от перенапряжения с регулируемым порогом от Maxim

Компания Maxim Integrated Products представляет новые микросхемы защиты от перенапряжения MAX14527/MAX14528, разработанные для защиты низковольтных систем от повышенного напряжения (до 28 В). Встроенный полевой транзистор с низким сопротивлением во включенном состоянии (типовое значение 100 мОм) предотвращает повреждение схемы в условиях перенапряжения. Наличие встроенного транзистора устраняет необходимость использовать внешний n-канальный MOSFET, тем самым уменьшая габариты и стоимость изделия. Кроме того, данные микросхемы предоставляют высокую гибкость при разработке, поскольку обладают возможностью регулировки порога напряжения, при котором срабатывает защита. Регулировка осуществляется опциональными внешними резисторами в диапазоне напряже­н ий 4...12 В. Микросхемы MAX14527/MAX14528 идеальны для применения в портативных устройствах, таких как медиапроигрыватели, КПК и др. Микросхемы имеют встроенную защиту от перегрева для исключения повреждения при перегрузке по току, а также защиту от электростатики ±15 кВ (Human Body

    Высокоточные многоканальные 12-/16-разрядные ЦАП с малым энергопотреблением от Maxim

Компания Maxim Integrated Products представляет новое семейство счетверенных (MAX5134/MAX5135) и сдвоенных (MAX5136/ MAX5137) 16- и 12-разрядных ЦАП, совместимых между собой как по выво­д ам, так и программно. Эти ЦАП обеспечивают более высокую точность и степень интеграции, а также меньшие габариты по сравнению с конкурирующими изде­л иями. В спящем режиме ЦАП MAX5134–MAX5137 потребляют менее 300 нА. Четыре 12- или 16-разрядных ЦАП могут работать при среднем токе потребления 2,5 мкА. Имея встроенный высокоточный источник опорного напряжения, эти ЦАП предоставляют разраработчикам непревзойденную гибкость изменения числа каналов и разрешающей способности при очень несущественной или даже вовсе без модернизации устройства. Каждый канал ЦАП может быть отключен индивидуально для лучшего управления энергопотреблением. Высокая линейность (интегральная нелинейность ±8 МЗР для 16-разрядного и ±1 МЗР для 12-разрядного ЦАП) и гибкость этих ЦАП делают их идеальными для систем управления производственными процессами и портативных измерительных приборов для систем связи, программируемых логических контроллеров, замкнутых сервоконтуров и автоматизированных систем контроля. Другие применения этих ЦАП включают системы автоматической настройки и регулировки, системы управления усилителями мощности, системы сбора данных, программируемые источники напряжения и тока. Ключевые особенности ЦАП MAX5134–MAX5137: – сверхкомпактный 24-выводной корпус TQFN (4×4 мм); – опциональный встроенный высокоточный ИОН (10 ppm/°C); – аппаратно выбираемая установка выхода ЦАП при подаче питания (сброс в ноль/середина шкалы); – 30-МГц 3-проводной SPI-/QSPI-/MICROWIRE-/DSPсовместимый последовательный интерфейс; – гарантированная монотонность во всех условиях функционирования; – широкий диапазон напряжений питания 2,7…5,25 В; – буферизированный выход полного размаха; – расширенный промышленный температурный диапазон –40…105°C. Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com/ru

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products

электронные компоненты №2 2009

79


ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ Новые прецизионные термокомпенсированные кварцевые генераторы со стабильностью частоты на уровне термостатированных от компании «Морион»

ОАО «Морион» (С.-Петербург) представляет качественно новые прецизионные термокомпенсированные кварцевые генераторы. Ключевыми особенностями приборов являются: – стабильность частоты на уровне термостатированного генератора (~10 –7); – малое значение потребляемой мощности: как после включения генератора, так и в установившемся режиме (около 100 мВт); – малое время стабилизации частоты после включения (около 2...3 с); – низкий уровень фазовых шумов. В настоящее время планируется серийный выпуск двух базовых моделей указанных прецизионных термокомпенсированных генераторов ГК202-ТК и ГК203-ТК: а) ГК202-ТК имеет номинальную частоту 12,8 МГц, выходной сигнал SIN и напряжение питания 5 В. Прибор обеспечивает температурную стабильность частоты до 1,5×10 -7 в широком интервале рабочих температур и долговременную стабильность частоты до 1,5×10 -7 за год. Генератор выполнен в стандартном корпусе размерами 36×27×12,7 мм. б) ГК203-ТК имеет номинальную частоту 10 МГц и напряжение питания 12 В. Выходной сигнал также имеет синусоидальную форму. Прибор характеризуется еще более высокой стабильностью частоты: до 5×10 -8 при изменении рабочей температуры в широком диапазоне и до 1,5×10 -7 долговременной за год. ГК203-ТК обладает аналогичными ГК202-ТК габаритноприсоединительными размерами, однако при этом имеет перспективное исполнение высотой 10 мм (ГК203М-ТК).

80

Сочетание высокого уровня температурной и долговременной стабильности частоты с низким уровнем потребления и почти мгновенной готовностью к работе делают генераторы ГК202-ТК и ГК203-ТК эффективным решением для многих применений, в частности, в различных системах мобильной радиосвязи. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО «ЭКО», ООО 107553, Москва, ул. Б. Черкизовская, 20, стр.1, оф.307 Тел.: (499) 161-9183 electron@e-co.ru www.e-co.ru «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60 Факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru Maxim Integrated Products Тел.: + 7 911 791 5305 russia-feedback@maxim-ic.com www.maxim-ic.com/ru «ПКК Миландр», ЗАО Зеленоград, Южная промзона, пр-д 4806, д. 6 Тел.: (495) 681-54-33 icmarket@milandr.ru, www.milandr.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «НЕОН-ЭК», ООО 199178 С.-Петербург, ВО, 8-я линия, д.79 Тел./факс: (812) 335-00-65 www.e-neon.ru

Новости мобильных технологий

| Аккумуляторные батареи уйдут в прошлое |  Беспроводные технологии все глубже проникают в нашу жизнь. Появляются развитые системы «умный дом», которые соединяют все электронные устройства в помещении и осуществляют централизованное управление. Сбор информации происходит с помощью датчиков и контроллеров, которым требуется автономное питание. Именно в этом и заключается слабость таких систем — необходим универсальный источник энергии, который смог бы заменить батарейки. Аккумуляторы, во-первых, вредны для окружающей среды, а во-вторых, их требуется постоянно подзаряжать или менять. Необходим другой подход к получению энергии. Среди возможных решений рассматриваются солнечные элементы или элементы Пелтье. Однако их главный недостаток в том, что их работа существенно зависит от внешних условий, которые сложно предсказать. Известны и другие методы получения энергии, например пьезоэлектричество. Но в них присутствует большой недостаток — быстрый износ. Тем не менее инженеры ищут новые пути, порой весьма оригинальные. Одним из них является получение энергии из деревьев: преобразователь помещается между деревом и землей и вырабатывает энергию за счет биопотенциалов дерева. Потребность в новых источниках питания очевидна и возрастает с каждым годом. Несомненно, скоро будет найден ключ к наиболее простому и дешевому способу получения энергии. Пока остается снижать потребление сетей и повышать эффективность использования энергии так, чтобы для питания системы хватало одиночного солнечного элемента. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


Электронные компоненты №2/2009