автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и средства повышения помехозащищенности цифровых микроэлектронных устройств

РГ5 ОД

5 ^Щ^СЩШлНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ Ш. ДОР. ТРАНСПОРТА

На правах рукописи НЕЙЧЕВ Олег Владимирович

ш 621. т

шгода и срвдства повышения юмшавдданости

ЦИФРОВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Элемента и устройства вычислительной техники и систем управления

Устройства радиотехники и средств связи

АВТОРЕФЕРАТ 'диссертации на соискание ученой степени, кавдвдэга технических наук

05.13.05 -05.12.13 -

Харьков - 1993

Работа выполнена на кафедре "Автоштика и телемеханика" Харьковского института инаенеров железнодорожного транспорта.

Научные руководители - кандвдат технических наук, доцент Вар<5анец Н.Г.;

нандвдат технических наук, доцент Кустоз В.Ф.-

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Загарий Г.И.;

кандидат технических наук, доцент Кравченко В.И.

Ведущая организация - НПП САУ (г. Харьков)

Защита состоится " 1993 г. в № часов

на заседании специализированного совета Д 114.04.02 при Харьковском институте инженеров келезнодорожного транспорта по адресу: 310050, г. Харьков-50, пл. Фейербаха, ?.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " _199 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцэнт

Кишев 1!.П.

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАБОН!

Актуальность работа. Современный этап развития науки и техники характеризуется широким внедрением средств вычислительной .техники в промышленность, транспорт, банковское дело и т.д. Обладая высоким быстродействием, малой энерго- и материалоемкостью, широкими функциональными возможностями микроэлектронные цифровые технические средства (ЦТС) становятся основной технической базой для создания систем связи, управления, энергоснабжения, а такне информационных и измерительных систем.

Растущие требования производства к автоматическим и автоматизированным системам управления, системам передачи и обработки данных требуют повышения надежности и качества их работы.

На транспортных и .промышленных объектах, предприятиях энергетического комплекса в условиях жесткой электромагнитной ■ обстановки (ЭЮ) надежность микроэлектронных ЦТС в значительной степени определяется их защищенностью от воздействия помех. Элементная база ЦТС насыщена запоминающими и формирующими схемами и характеризуется чрезвычайно малой энергией полезных сигналов. В настоящее время эта энергия на 5-6 порядков ниже энергии помех из сети питания и окружающего пространства. Данное обстоятельство потенциально обусловливает заметную восприимчивость ЦК-' к внешним помехам. ■ Поэтому повышение эксплуатационной надежности микроэлектронных устройств невозможно без обеспечения электромагнитной совместимости (3I//J) ЦТС с внешней средой - выполнения комплекса мероприятий, направленных на повышение помехозащищенности (113) устройств и подведение помех, создаваемых ЦТС. Сложность задач по обеспечен;® 3WJ предполагает поэтапное решение проблемы. Па первом этапе (разработка конструкторской документации) принимаются рачения по корректному, с точки зрения ЭЛЕ, вводу в ЦТС информационных кабелей и кабелей питания, рациональному размещению "чистых" и помехойесущих цепей, их гальванической развязре, экранирование и т.д. Поскольку парамотры электромагнитных помех, сепп их распространения внутри корпуса ЦТС имеют случайный характер,

не представляется возможным априорно, до проведения испытаний на БЗ определить фактический уровень помехозащищенности микроэлектронного устройства, а также требуемую эффективность помехоподавляющих средств, Ёти задачи должны решаться на втором этапа - при испытаниях опытного образца.

Однако несовершенство методов испытаний на ИЗ, норм на восприимчивость я помехам, недостаточная научная и практическая обоснованность существующих методик разработки требований к поиехоподавляющим средствам на основе результатов испытаний создают опасность ввода в эксплуатацию цифровых микроэлектронных устройств с низким уровнем помехозащищенности.' Следствием могут быть сбои и отказы ЦТС, приводящие к значительному материально^ ущербу, обусловленному остановками технологических процессов, повреждениями элементов аппаратуры, оборудования и изготавливаемой продукции, лотерей ответственной информации и т.д.

Поэтому разработка новых методов определения и средств повышения ПЗ ЦТС в настоящее время является важной и актуальной задачей. ' "

Целью настоящей работы является разработка методов определения восприимчивости микроэлектронной аппаратуры к воздействию помех и требуемой эффективности их ослабления, исследование и разработка оптимальных поыехолодавляищих средств.

Основными Задачами работы являются:

- анализ методов определения ПЗ шкроэлехтронных устройств и на его основе выбор оптимальных форм представления информации об уровне помехозащищенности;

- разработка новых методов определения восприимчивости микроэлектрокксй аппаратуры к воздействию импульсных помех и их гармонических составляющих;

- разработка методики определения требуемой эффективности ослабления помех ломехоцодавляющида фильтрами (Ш1Ф);

- исследование элементов ШФ и факторов, блшшцих на эффективность их работы;

- разработка помехоподавляющих устройств.

Мэтоды исолапоганий. При проведении исследований в работе использованы методы теории передачи сигналов, теорзтп пла-

нирования эксперимента, методы математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории электрических целей.

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена;

- экспериментальной проверкой полученных выводов;

- положительными результатами эксплуатации ЦТС, испытанных на ПЗ при помощи предложенных методов и оборудованных разработанными помехоподавляющиш средствами.

Научная новизна. Разработаны вероятностны!! и энергетический методы определения восприимчивости ыикроэлектронной аппаратуры к воздействию импульсных помех и.их гармонических составляющих, методы определения уровня помехозащищенности ЦТС, разработана методика определения требуемой эффективности подавления помех ППФ на основании данных об уровне ПЗ устройств, полученных в результате испытаний по яредлодеяным методикам и норм на восприимчивость к воздействию помех. Рассмотрены пути использования предложенных методов дри обосновании норм на восприимчивость микроэлектронных устройств к помехам, предложены схемы замещения индуктивных помехопсяавляющих элементов для расчета эффективности' подавления помех фильтрами. Предложены композиционные помехоподавлявдие элементы и схеш их рамещения. Исследованы факторы, влияющие на эффективность подавления помех индуктивными и композиционными помехоподавлявдими элементам;, что позволило выделить наиболее значише и испольсовать их при разработке ППФ.

Техническая новизна предложенных индуктивных и композиционных ППФ подтверждена радом авторских свидетельств и положи-' тачьиых решений на изобретения.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют повысить достоверность испытаний ЦТС на ПЗ и использовать информацию о помехозащищенности, при разработке эффективных помехоподавляющих средств.

На основании результатов исследований разработаны помехи-подавлямцие устройства для защиты от воздейотзия электромагнитных помех управляицих ¿БМ, программируемых контроллеров, комплексов технических средств локальных информационно-упраз-

ляющих систем различных народно-хозяйственных объектов, подложены схемы замещения и математические выражения для расчета параметров помохоподавляющих элементов, входящих в состав ЛЩ, разработаны рекомендации по повышению ПЗ микроэлектронной аппаратуры локальных систем передачи и обработки информации. Комплексные испытания и опытная эксплуатация разработанных ло-мехоподавлявдих устройств показали их работоспособность, эффективность и надежность.

Реализация -результатов работы. Результаты диссертационной работа использованы:

- на Запорожской А2С для защиты от помех из сети питания и каналов передачи данных управляющей ЭВМ системы внутриреак-торного контроля (энергоблоки Г'-.6);

- научно-исследовательским институтом железнодорожной автоматики (НИША, г. Москва) при создании аппаратуры комплексной локомотивной системы безопасности для железных дорог России и стран СНГ;....... ..

- научно-производственным объединением по системам автоматизированного управления (НШ САУ, г. Харьков) при разработке технических средств "МикроДАТ";

- исследовательским институтом КТИМ Агропрот (г. Зйрь-ков) при разработке систем управления технологическими процессами в лицевой промышленности,

Аптюбадия работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на:

- Всесоюзной, научно-технической конференции "Ыетоди и средства борьбы с помехами в цифровой технике", г. Каунас, 1990 т.;

- научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств", г. Санкт-Петербург, ISS2 г.;

- Всесоюзной научно-технической конференции "Проблема комплексной автоматизации судовых технических средств",

г. Санкт-Петербург, 1992 г.;

- республиканской научно-технической конференции "Микропроцессорные система связи к управления ка железнодорожном транспорте", г. Алушта, 1991 г.;

- республиканской школе-семинаре "Микропроцессорные сис-

теш связи и управления на железнодорожном транспорте", г. Алушта, 1992 г.;

- отраслевой научно-технической конференции "Микропроцессорные средства диспетчеризации и управления технологическими процессами", г. Харьков, I99Í г.;

- 51, 52, 53 научно-технических конференциях кафедр ХШГа и специалистов железнодорожного транспорта, г. Харьков, 1990, 1991,' 1992 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано Ш печатных работ, из них 4 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 150 с. основного текста, 45 рисунков и 17 приложений на 70 с. Библиография включает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации проведен анализ существующих методов и средств определения ПЗ ЦТС, указаны нерешенные вопросы в проблеме испытаний ЦТС на ПЗ и обеспечении ЗМС микроэлектронных устройств с внешней средой. Определены цель и задачи исследования.

Проведенный анализ показал, что наиболее приемлемым для определения ПЗ ЦТС является проведение испытаний, позволяющих определить степень защиты ыикрозлекгрошых устройств от преднамеренно создаваемых помех со стандартизованным: параметрам!. При фиксированной нормативной вероятности сбоя ЦТС (Рсн) определение ПЗ сводится к определению амплитуд и длительностей испытательных импульсов, воздействие которых на ЦТС вызывает сбой устройства с заданной вероятностью. Однако при тако;л подходе неизбежно возникают сложности при определении перечня необходимых параметров помех для их измерения и имитации, част6' упускаются параметры, представляющие серьезную опасность для , ЦТС в части ЭШ. Это ведет к тому, что при испытаниях воспро- . изводятся только некоторые, не определяющие реальную параметры помех. Кроме того, при разработке требований к помехопо-

8

I

давлящим средствам, становится проблематичным использование результатов испытаний на ИЗ, представленных в ввде амплитуд и длительностей испытательных импульсов, т.к. в этом случае игнорируется спектральный состав помех, невозможны определение диапазона наибольшей восприимчивости ЦТС к гармоническим помехам, а следовательно, и разработка эффективных ППФ.

Указанные недостатки известных методов испытаний ЦТС на ПЗ таким образом не обеспечивают адекватность воспроизводимых помех реальной электромагнитной обстановке. Естественно, это снижает достоверность испытаний, а ограниченные возможности в использовании их результатов увеличивают риск ввода в эксплуатации микроэлектронных устройств с низкой ПЗ, возрастает время и затраты на разработку ППФ. Поэтому возникает задача разработки новых методов определения помехозащищенности ЦТС, восприимчивости к воздействию гармонических составлявших спектра импульсных помех; разработки методик, позволяющих определять на основе результатов испытаний на ПЗ рабочий диапазон и требуемую эффективность ППФ; разработки средств обеспечения ЭМЗ ЦТС с внешней средой.

Вторая глава диссертации посвящена разработке новых методов определения ПЗ ЦТС и их использованию при разработке поме-хоподзвляющих фильтров. Поскольку наиболее приемлемыми при оценке ПЗ являются методы, основанные на определении восприимчивости устройств к искусственно воспроизводимым импульсным помехам, в основу предлагаемых методов такав положен этот принцип. Однако в отличие от традиционных, разработанные (вероятностный и энергетический) методы определения ПЗ основаны на спектральном ггредставлении импульсных помех с амплитудой А и длительностью X , воздействие которых на сетевые и информационные входы испытуемого устройства вызывает его сбой с вероятностью не выше заданной.

Введено понятие пороговых импульсов, воздействие которых на входы микроэлектронного устройства вызывает его сбой с нормативной вероятностью РНОрМ. Причем амплитуды импульсов имеют предельные минимальные значения, ниже которых вероятность сбоя становится меньше нормативной. При различных формах, длительностях и амплитудах пороговых импульсов га спектралъннй состав

различен.

На формирование условий, вызывающих обой микроэлектронного устройства, в разное мере оказывают влияние все составляющие спектра испытательного импульса. Чем больше аначение спектральной плотности помехи на отдельной частоте и чем выше восприимчивость аппаратуры на этой частоте, тем больше вероятность сбоя, вызванного воздействием этой гармонической составляющей спектра. При определении помехозащищенности ЦТС вероятностным методом предполагается, что любой гармонический сигнал о комплексной амплитудой л ¡. на частоте при некоторой фиксированной восприимчивости аппаратуры Л' на указанной частоте будет привадить к сбою с вероятностью

Л ». (I)

С учетом того, что £ ,

/>/« ¿(ШиШ , (2)

где БШ) - спектральная плотность помехи на частоте • • ,

• - шаг квантования по частоте. . Физическай интерпретация приведенного уравнения может быть следупцей: внутренняя структура ыикроэлектронного устройства представляет собой совокупность параллельно включенных узкополосных каналов, соединяющих подверженный блиянйю помех вход и некоторый рецептор. Чем аире полоса пропускания канала Д^ , чаи больше его "пропускная способность" /¡({¿) и значение спектральной плотности помехи на данной частоте , тем большая часть энергии импульса может проникнуть к рецептору и с большей вероятностью переключить его, !

При воздействии помех со значениями спектральной плотности ^ -го испытательного импульса на частоте |£ вероятность устойчивого функционирования ЦТС - '

/V« */-/>* , (3)

РВе1 =

Вероятность бессбойного функционирования устройства при воздействии на его аход пороговыхимпульоов о амплитудами Aj и длительностями Tj

?öo-l-W'rP • <5) ;

Очевидно, что при воздействии на испытуемое устройство помехи о некоторыми параметрами Ast обой ЦТС не наступит только тогда, кохда одновременное воздействие всех составляющих спектра не приведет к сбою ни на одной частоте. Применительно к рассматриваемому случав вероятность появления подобного события равна произведению вероятностей "бвосбойннх" исходов pdoj на частотах

(I -P«XI -Р,)<1 -Р5) ... (I -Ря) - I - Р0(А,Т). (6) С учетом (4)

(<- (?)

В уравнении (7) неизвестными являитсявначениявосприимчивоо-ти ЦТС к гармоническим оставляющим помех F(ii) . Поскольку уравнение содержит П неизвестных, для определения их значений необходимо составить нреаить систему из П уравнений. Каждое уравнение веда (7) может быть получено после определения значений спектральных плотностей П различных пороговых иояытательши импульсов.

Найденная в результате решения системы уравнений

i- fili -ШШлЫ "* .

---.... . . {8)

*■' ftt' - SntWttiUU) р Рнори&пМ .

зависимость Fii) восприимчивости аппаратуры выражает вероятность сбоя устройства гармоническими составляющими спектра помехи с некоторой единичной амплитудой при нормативной результирующей вероятности сбоя. Функция f(f) может быть использо-

вала как показатель уровня ПЗ любого микроэлектронного устройства. Характер зависимости ГМ) на частотах £ позволяет определить диапазон максимальной чувствительности ЦТС к гармоническим составляющим помех и обеспечить эффективное подавление помех на этих частотах.

Однако при значениях нормативной вероятности сбоя менее, чем 0.5-10-®, расчет Дсопряжен с операциями над малыми числами порядка 10~, а следовательно, и значительными

погрешностями расчета. Чтобы избежать снижения точности расчета, целесообразно перейти к иному представлению информации о ПЗ цифровых систем, предложенному в ходе разработки энергетического метода определения помехозащищенности. Вместе с тем, при испытаниях.микроэлектронных и электротехнических устройств с заданной нормативной вероятностью сбоя или же с яр-

ко выраженной пороговой зависимостью когда невозможно

определить параметры.импульсных помех, обеспечивающих сбой ЦТС с вероятностью Р|1орм= 0.5+1.0-КГ6(по РТМ 2593-72), применение вероятностного метода может быть оправдало.

Различные испытательные импульсы, обладающие различными спектрами, по-разному воздействуют на рецепторы-ЦТС. Однако суммарное воздействие всех гармонических составляющих спектра одинаково, если сбой наступает с заданной, равной для всех испытательных импульсов, вероятностью.

В этом случае целесообразно предположить, что несмотря на очевидное различие энергий пороговых испытательных импульсов, одинаковое воздействие на ЦТС достигается за счет равенства "переключающих энергий" помех - параметров А/ , учитывающих восприимчивость аппаратуры к воздействию различных гармонических составляющих помех и распределение энергий импульсов в диапазоне • Энергия импульса помехи распределена по частотам пропорционально амплитуде спектральных составляющих этого импульса. Чем тире рассматриваемый диапазон частот спзктра д$ , чем больше амплитуда его составляющих и-выше восприимчивость ЦТС к воздействию гармонического сигнала, тем болысая доля переключающей энергии приходится на эти частоты. Поэтому предполагаетед, что

N --- Ш^Ш, * ¡(ШШг* - ■ * ШлЫ(Я

(9)

Поскольку в уравнении (9) П неизвестных А£П для определения их значений необходимо составить и решить систему из П уравнений

.1 ¿ММНЫ = М ,

I ШМ^М = /У '

Полученные в результате решения системы (10) значения РШ и численное значение переключающей энергии // могут быть использованы в качестве показателя уровня ГО микроэлектронных устройств. В этом случае параметр // - допустимая переключающая энергия помехи (/УдоП), воздействие которой на ЦТС вызывает его сбой с вероятностью Р< РНОрМ<

В диссертации разработаны методы получения исходных данных для составления и решения систем уравнений вида (8) и (10).

При оценке вероятности устойчивой работы ЦТС в случае воздействия помех с заданными параметрами необходимо определить в соответствии с (9) переключающую энергию помехи (//п) и сравнить с допустимой. Если в результате решения уравнения (9) оказывается, что переключающая энергия помехи меньше Л/дов, можно считать, что ЦТС будет функционировать устойчиво: вероятность сбоя окажется меньше РНОрМ-

В случае, если Мп> Л/Д£Ш, для обеспечения требуемой ПЗ ЦТС должно быть снабжено помехоподавллщим фильтром. Требуемая эффективность ломахояодавладяя рассчитывается исходя из следующих соображений: ПШ? должен обеспечить такое уменьшение амплитуд гармонический составляющих помех в диапазоне частот + + 5 ,,йх I чтобы при воздействии на вход фильтра помех с заданными параметрами (Л/п) переключающая энергия помех на его выходе (л/пв) оказалась меньше допустимой (//.доп). Требования к ПШ> таким образом могут быть представлены в виде зависимости А^) - вносимого затухания з диапазоне частот. ^ * ¡/юх •

Однако сказанное имеет место'лишь тогда, когда известны ' параметры (спектральные плотности) помех, от воздействия кото-

рых необходимо защищаться. Действующие в настоящее время нормы на восприимчивость к помехам недостаточно научно и практически обоснованы, поэтому не могут быть использованы для этой цели. Спектральное же представление информации о ПЗ, а также электромагнитной обстановке на объектах эксплуатации ЦТС в • принципе позволяет решить проблему нормирования.

В результате измерения значений спектральных плотностей помех на частотах З1 < +| л в течение времени Т дм необходимо определить плотность распределения' амплитуд гармонических составляющих помех на каждой из частот

р = /(А) . (II).

Математические ожидания амплитуд

Г-О

МЛ^= $ А{Щс1А . (12)

-С"'

Множество значений МА^ может служить.отправной точкой при разработке норм на ПЗ, так как совокупность МЛ.¡, = МА^П является характеристикой ЭШ.

Если плотности распределения амплитуд гармонических составляющих помех на частотах •••описываются функциями /ДА), ¿(А),..., /п(А), санкция 1,чА £) указывает положенно Центров тяжестей" распределений $(А) (рис. I).

Тогда кривую предлагается считать спектральной плотностью "усредненной" гипотетической помехи, от воздействия которой необходимо защищаться.'

Шксимальные значения амплитуд гармонических составляющих на частотах ^ + образуют спектр "наиболее жесткого импульса" помехи (кривая 5г )• В зависимости от функционального назначения разрабатываемого ЦТС, цены сбоев для определенных классов микроэлектронных устройств нормы на ПЗ могут быть заданы в виде спектральных плотностей , 52 , $3 , • Синтез импульсных помех по известным спектрам позволит проводить оперативные контрольные испытания создаваемых микроэлектронных устройств.

Предложенный подход к разработке норм на ПЗ является более предпочтительным по сравнению с известным, так как учитывает реальную ЭГО на объектах эксплуатации ЦТС.

Третья глава диссертации посвящена исследованию и разработке помехоподавляющих средств.

Эффективность подавления помех наиболее широко использующимися для этих целей пассивными фильтрами во многом зависит от конструкции и способов изготовления входящих в их состав . элементов - конденсаторов и катушек индуктивности. Так как при разработке ППФ приходится пользоваться типовыми, серийно выпускаемыми конденсаторам!, обеспечение требуемой эффективности псмехоподавления при уменьшении массы и габаритов ППФ возможно за счет повышения эффективности подавления помех дросселями.

Б работе исследуется влияние материала, удельного сопротивления магнитопроЕодов и способов изготовления обмоток на эффективность псмехоподавления (относительное уменьшение переключающей энергии) индуктивными элементами.

Установлено, что величина и характер сопротивления сердечников существенным образом сказывается на характере полного сопротивления дросселей (рис. 2). Вызвано это тем, что магнито-провод с увеличением частоты сигнала шуьтируат-обмотку дросселя: высокочастотные помехи через емкость первого слоя обмотки на сердечник и через сердечник поступают на выход индуктивного элемента минуя обмотку.

тоте

¿¡тЦ,Ц) = 2С , (13)

' {«о»

где 2С - сопротивление сердечника.

В результате проведенных исследований установлено, что известные формулы для расчета приведенной ко входным зажимам емкости первого слоя обмотки на сердечник обладают -низкой точности) в не могут быть использован» при расчете сопротивлений дрооселеЯШФ. Для определения численного значения С^ целесообразно воспользоваться нредложенноб зависимостьс

°пр" Сс/(а1 ♦ V 114)

аде С0 - емкость обмотки на сердечник, V - количество витков обмотай.

В работе приводится методика раочета коэффипнентов а1, а2 для различных типов я материалов сердечников индуктивных эле, ментов.

Повышение эффективности подавления помех (увеличение 2 ) в широком диапазоне частотдросоалякио многослойными обмотками возможно за счет уменьоения приведенной межсловной емкости. Доказано, что вне завиоимостиот величины сопротивления сердечника 20 на высокой частоте увеличение 2— может быть достигнуто секционированиемобмоток индуктивных элементов. Причем, если , : \ •."-■

Л'/»2фс(1) = К'^дрнс №) , (15)

>■ ... , где к - количество секций,

23рис- сопротивление несекционированного дросселя, а при 2С ——

гфса) = ' ¿глщсШ , (16)

ц •

В работе предложены способы изготовления секционированных обмоток, позволяющие повысить сопротивление дросселей в широком диапазоне частот, ,

Полученные теоретические результаты подтвервдены результатами экспериментов. Проведенный полный факторный эксперимент (2^) позволил определить весовые коэффициенты при факторах (секционирование обмоток, способ изготовления обмоток, , тип -(сечение) и удельное сопротивление оерцечников) влияющих на эффективность подавления помех на чаототах 1 + 10 МГц.

Исследованиями установлено, что ферромагнитные материалы (ферриты и магнитсщиалектрики) способны существенно изменять свое сопротивление при изменении частоты сигнала и температуры материала. Причем с увеличением 5 и сопротивление указан--ннх ферромагнетиков ÍZ/.-) уменьшается, что ведет к ухудшению домэхоподавляюцих свойств дросселей о Сердечниками из ферритов (13). Для учета влияния ¿° и | на величину сопротивления дросселей предлагается воспользоваться формулами:

, (17).

2,Ц) * гНщ • {(1°) , (1В)

где 2щцу1 - сопротивление ферромагнетиков в нормальных услови-

! ях (при 5 в 0 и - 20° С), ', - Функция, выражающая качественную зависимость со-

! противления определенного типа феррита или магнито-

дивлектрика от частоты, № - то же, от температуры. В работе приведена методика получения иоходных данных и расчета функций и {(V) .

Как следует из (13) для традиционных дросселей ППФ термо-и час'тотозавксимые свойства сопротивления ферромагнетиков являются отрицательными. Однако если ферромагнитный материал (сердечник) подключить параллельно входу защищаемого устройства, то без изменения габаритов дросселей, например, можно на 30 * 35 дБ увеличить эффективность ослабления высокочастотных помех (5-10 МГц и выше). Ферритовый сердечник в этом случае выполняет функции устройства, канализирующего высокочастотный сигнал.

. . Исследование частотозависимых свойств сопротивлений ферромагнетиков таким образом позволило предложить новые типы поме-хоподавлякяцих фильтров - ГШ на основе ферристоров.

В диссертации разработана методика расчета требуегшх-параметров ферристоров для обеспечения максимальной эффективности подавления помех подобными фильтрами.

В четвертой главе представлены результаты практического использования разработанных методов и средств.

Определен.уровень ПЗ и восприимчивость к воздействию гармонических составляющих спектра импульсных помех электромагнитного рале вероятности™ и энергет11ческим методами. Реле, в •качестве одного из испытуемых устройств выбрано потому, что для него известен диапазон и относительные значения восприимчивости к гармоническим сигналам. Сравнение результатов расчета с имеющейся информацией, а также о данными экспериментальных исследований показало, что относительная приведенная погрешность расчета значения переключающей энергии = 8. 36) различными методами не превысила 5%, а значений f(fi) на частотах 0 + 1 кГц - 20 %, Установлено, что размерность матриц систем уравнений (8) и (10) в большей степени сказывается на точности расчета восприимчивости устройств к воздействию гармонических помех ( F($i)) ив меньшей степени - на точности расчета N$0„ ,

На основании разработанных методик определен уровень ПЗ Щоп = 0.285) и восприимчивость к гармоническим помехам одного из наиболее широко распространенных элементов схем ПТС - D --триггера, а затем рассчитаны параметры помсхсподавлащего НС-фильтра' для защиты' входной цепи триггера от помех с заданкчги параметрами. Испытание устройства, снабженного ППЗ, показало,

что ЕС-фильтр, рассчитанный для подавления импульсных помех с и = 7 Б и Т = 10 мкс обеспечивает устойчивую работу триггера при воздействии более"кесткой" помехи - фактическая эффективность помехоподаЕления оказалась на 25 % выше расчетной.

Определены значения восприимчивости к воздействию гармонических составляющих импульсных помех, а также уровень ЕВ управляющих ЭВМ системы внутриреакторного контроля (СВРК) Запорожской АЭС (Л/доп = 70.5). Результаты расчета УШ использованы при разработке сетевых помехоподавляющих фильтров для СВРК, локальных систем передачи и обработки данных Микро-ДАТ, оптимизации параметров дросселей ППФ, разработке рекомендаций по повышению ПЗ аналогичных ЦТС.

Получены расчетные выражения для определения сопротивлений ферромагнитных материалов, используемых в качестве сердечников традиционных индуктивных элементов ППФ, а также магни-топроводов ППФ на базе ферристоров: ферритов марок 1000 НН, М 2000 ИМ, ВН-150, 3000 НШ и альсифера ТЧ-60 в диапазоне частот 0 + 40 МГц и температур - 0 100° С. Приведены примеры расчета ферристорных ППФ. С использованием методов теории планирования 8ксперимента получено уравнение регрессии, позволяющее рассчитать относительное изменение сопротивления феррито-вых образцов (феррит М 2000 НМ) при произвольном одновременном изменении частоты сигнала (Хр 0*2 МГц) и температуры фер-ристора (Х2, 20°80° С)

У = 0.411 - 0.307 Хх -'0.144 Ц + °*135 Х1 Х2 •

Проведенные исследования эффективности подавления помех фильтрами на основе ферристоров позволили определить оптимальные конструкции ППФ. Установлено, что лучшими помехоподавля-ющими свойствами (35 * 45 дБ на частотах 5-5-50 МГц), массога-

баритными показателями (не более 1-ваттното резистора) и тех-

нологичностью изготовления обладают индуктивно-ферристорные

фильтры на сердечниках гантельного типа. Использование подобных ППФ для подавления помех из Цепей передачи информации по-

зволяет существенно повысить уровень ПЗ ЦТС.

Испытания и опытная эксплуатация разработанных сетевых • и индуктивно-ферристорных ППФ показала их высокую эффективность и надежность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Известные методы определения ПЗ цифровы;,: микроэлектронных устройств не позволяют достоверно определять восприимчивость ЦТС к внешним импульсным помехам и их гармоническим составляющим из-за несовершенства методов испытаний и норм на ПЗ. Представление информации об уровне ПЗ в ввде амплитуд и длительностей импульсов помех затрудняют разработку требований к ППФ на основе результатов испытании.

2. Разработаны вероятностный и энергетический методы, позволяющие определять ПЗ ЦТС и восприимчивость микроэлектронных устройств к гармоническим сигналам.

3. Предложенные методы позволяют определять требуемую эффективность подавления помех ППФ и использовать известные методы синтеза фильтров при разработке ППФ.

4. Вероятностный и энергетический методы определения ПЗ ЦТС позволяют повысить достоверность результатов испытаний на ПЗ и значительно облегчить их использование.

5. Предложена методика обоснования норм на ПЗ, а также расчета параметров помех для контрольных испытаний ЦТС.

•6. Защита цифровых микроэлектронных устройств от помех из сети питания и каналов передачи данных может быть обеспечена пассивными помехоподавляпцими фильтрами. Эффективность подавления помех ППФ в первую очередь зависит от качества входящих в их состав индуктивных элементов.

7. Повышение эффективности подавления помех и расширение диапазона подавляема частот дросселями ППФ может быть достигнуто в результате выполнения комплекса мероприятий, направленных на уменьшение собственной емкости обмотки, а также использования магнитопроводов с высоким удельным сопротивлением.

8. Ферроксрамические сердечники ивдунтивньх элементов обладают нелинейной зависимостью сопротивления от частоты. Для

традиционных дросселей 11ПФ свойство ферритов и матнитодиэ-лектриков уменьшать свое сопротивление высокочастотным сигналам является отрицательным, так как в итоге.ведет к уменьшению юс полного сопротивления и снижению эффективности помехо-подавления.

9. Частотозависимые свойства проводимости ферритов предлагается использовать для повышения эффективности подавления помех фильтрами на основе ферристоров.

10. Опытная эксплуатация помехоподавляющих средств, разработанных в соответствии с предложенными методами показала их высокую эффективность и надежность,' подтвердив правильность основных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертационной работе.

11. Использование результатов диссертации позволило уменьшить количество сбоев и отказов аппаратуры системы внут-риреакторного контроля Запорокской АЭС, локальных систем передачи и обработки данных на базе комплексов МикроДАТ, аппаратуры локомотивной системы безопасности и др., повысить их эксплуатационную надежность.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ • Б следующих РАБОТАХ

1. Ковалев A.A., Кустов В.Ф., Нейчев О.В. Результаты ис-; следования внешних помех и восприимчивости к ним аппаратуры внутриреакторного контроля// ¡Уктериалы Всесоюзной научно-технической конференции "Помехи в цифровой технике - 90". (Каунас, 1990).- Вильнюс, 1990,- С. 18-21.

2. Костромкнов А.И., Кустов В.Ф., Нейчев О.В. К вопросу о выборе параметров моделируемых помех при испытаниях цифровых технических средств// Штериалы Всесоюзной научно-технической конференции "Помехи в цифровой технике - 90". (Каунас, 1990).-Вкльнюс, 1990,- С. 21-23 .

3. Кустов В.Ф., Нейчев О.В. Повышение устойчивости микропроцессорных систем к воздействии электромагнитных помех// Мек-вуз. сб. науч. тр./ 1990, Ж!Т, Вып. 14.- С. 58-61.

4. Кустов В.Ф..Нейчев О.В. Исследование эффективности средств защиты от помех микроэлектронной аппаратуры// Тез.

докл. науч.-техн. конфер. (Хабаровск, 1909).- Хабаровск, 1989.- С. 33.

5» Кустов В.Ф., Нейчев О.В. Пути обеспечения электромагнитной совместимости технических средств МикроДАТ// Тез. дом. науч.-техн. конфер. "Комплекс микропроцессорных средств диспетчеризации МикроДАТ. Перспективы развития и применения в АСУТП" Харьков, 1991.- С. 68-71.

6. Кустов Б.Ф., Нейчев О.В. Помехолодавлпющлв фильтры на базе ферромагнитных и композиционных материалов// Тез. докл. республ. науч.-техн. конфер."№гкропроцессорше системы связи и управления на я .д. транспорте".- (Алушта, 1991).- Киев, 1991.- С.' 34-35.

7. Кустов В.Ф., Нейчев О.В., Пелих Л.Н. Использование композиционных фильтров для обеспечения электромагнитной совместимости технических средств МикроДАТ с внешней средой по нормам Регистра СССР// Судостроительная промышленность. Сер. Автоматика и телемеханика.- 1991.- Внп. 13,- С. 32-33.

8. Кострошнов A.U., Кустов В.Ф., Нейчев О.В. Метод и аппаратурные средства для адекватных испытаний цифровых объектов на помехозащищенность// Вопросы радиоэлектроники. Сер. Электронная вычислительная техника.- 1991.- Вып. 7.-- С. I2I-I26.

9. Кустов В.Ф., Нейчев О.В., Родин Г.Д. Помехоподавляго-щие фильтры на основа ферромагнитных резисторов// Тез. докл. второй науч.-техн. конфер. "Электромагнитная совместимость технических средств".- Санкт-Петербург, 1992.- С. II0-III.

10. Кустов В.Ф., Нейчев О.В. î/етод определения помехозащищенности микроэдекгронной аппаратура// Тез. докл. второй нэуч.-^ехн. конфер. "Электромагнитная совместимость технических средств".- Санкт-Петербург. 1992.- С. 83-63.

11. Kjcto3 В.Ф., Нейчев О.В. Разработка и исследование композиционных помехоподавляющих средств/'/ Республиканская школа - семинар "'¿икропрспессорлне системы связи и управления на х.д. транспорте".- (Алушта, 1992).- Киев, 1992.- С. 21-ЛЗ.

12. A.C. 1683080. Ж! H0I F 19/04, Н04 В 15/00 Устройство подавления помех / Кустоз Б.Ф., Нейчев О.Б., Родин Т.Д. '/СССР/. Ü 4750158: Заявлено 16ЛС.89. : Опубл. ЕИ » 37.91 .