Курсовая работа (т): Компьютер как источник помех

Благодаря простоте использования шина USB получила широкое распространение. На рисунке 5 представлено использование USB

В основном, помехи излучаются соединительным кабелем. Однако синфазные помехи из других блоков могут значительно превышать уровень помех, возникающих при передаче сигналов USB, так как на шине USB используется дифференциальный метод передачи данных.

Рисунок 5 - Использование USB

.1 Компоненты для подавления помех

Шина USB поддерживает три режима, различающиеся скоростью передачи данных: низкоскоростной LS (Low Speed - 1.5 Мбит/с), полноскоростной FS (Full Speed - 12 Мбит/с) и высокоскоростной HS (High Speed - 480 Мбит/с). Режим зависит от подключаемого внешнего устройства. Для того чтобы максимально снизить уровень помех и, в то же время, не исказить форму передаваемых сигналов, требуется индивидуальный подход к подавлению помех для каждого из режимов.

Для снижения уровня помех в режиме LS/FS следует использовать ферритовые чип-бусины BLM18BB121SN1 или синфазные дроссели DLP31SN121SL2 на линиях передачи данных и ферритовые чип-бусины BLM21PG221SN1 на шинах питания и земли.

При использовании EMI-фильтров в режиме LS/FS повышается вероятность искажения формы передаваемых сигналов. В этом случае также вероятно воздействие фильтров на сигнал EOP (End of Packet - конец пакета).

В режиме высокоскоростной передачи (HS) применение ферритовых бусин приводит к искажению формы передаваемых сигналов. Для предотвращения указанной проблемы вместо ферритовых бусин нужно использовать синфазные дроссели DLW21SN900SQ2.

3.2 Примеры осциллограмм передаваемых сигналов и эффективность подавления помех

В настоящее время шина USB поддерживает две группы режимов: LS/FS и LS/FS/HS. Отдельно режим LS не поддерживается. Поэтому влияние EMI-фильтра на форму передаваемых сигналов должно учитываться в FS или HS режиме. Ниже на рисунке 6 приведен пример использования помехоподавляющих фильтров для режима LS/FS.

Рисунок 6 - Использования помехоподавляющих фильтров для режима LS/FS

Так как передача сигналов по шине USB осуществляется в дифференциальном режиме, то в качестве тестового также используется дифференциальный сигнал.

Для режима LS/FS проверяется форма передаваемых сигналов и сигнала EOP. Применение ферритовых чип-бусин BLM18BB121SN1 практически не оказывает влияния на форму передаваемых сигналов, за исключением небольшого воздействия на EOP, и не вызывает проблем в работе шины. Данный метод позволяет снизить уровень помех почти на 5 дБ.

Дроссели DLP31SN121SL2 для подавления синфазных помех почти не влияют на форму передаваемых сигналов и сигнала EOP. Используя эти дроссели, можно добиться снижения помех примерно на 10 дБ.

4. Пример подавления помех в приводе компакт-дисков

Помехи, создаваемые приводом компакт-дисков (CD-ROM) и персональным компьютером, проходят через кабель наушников и излучаются им. Поскольку внутренний привод компакт-дисков ПК экранируется при помощи металлического корпуса, излучаемые приводом помехи редко вызывают проблемы. Однако в некоторых случаях источником помех становится кабель наушников.

4.1 Компоненты для подавления помех в приводах компакт-дисков

Помехи наводятся на кабель наушников, как из привода компакт-дисков, так и из системного блока персонального компьютера.

Сначала нужно подавить помехи от кабеля наушников. Для этого необходимо обеспечить надежный электрический контакт между цепью земли (GND) платы CD-ROM и металлическим корпусом, а также установить EMI-фильтры в цепях прохождения аудио сигнала. Если это не привело к подавлению излучаемых кабелем электромагнитных помех, то необходимы дополнительные меры.

Если источником помех является сам привод CD-ROM, необходимо выявить места их возникновения. Наиболее вероятные источники помех - шины тактовых сигналов и шины передачи данных.

Обратите внимание на то, что воздействие помех на генератор тактовых сигналов также может создавать проблемы. Цифроаналоговый преобразователь может стать источником помех при неправильном выборе точки соединения цифровой и аналоговой земель. Выбор оптимальной точки их соединения, как правило, позволяет подавить возникающие помехи.

Если источником проблем являются помехи от системного блока ПК, то необходимо устанавливать EMI-фильтры в местах подключения кабеля, соединяющего ПК и привод компакт диска. Следует уделить особое внимание выбору номиналов элементов EMI-фильтров, так как в некоторых конфигурациях ПК при больших значениях емкости или индуктивности фильтров привод CD-ROM может не работать.

4.2 Установка фильтров в месте подключения кабеля наушников

Для подавления помех на выходном разъеме наушников очень важно минимизировать уровень шума на линии GND. Металлический корпус привода CD-ROM и земля печатной платы должны соединяться вместе при помощи винтов, чтобы в точке соединения обеспечить низкий импеданс на высоких частотах.

На выходных линиях аудиосигналов левого и правого каналов устанавливают конденсаторы серии NFM21C (чип-фильтр EMIFIL®). Добавив ферритовые чип-бусины серии BLM на линиях аудиосигналов и земли, можно еще больше снизить уровень помех.

4.3 Установка фильтров на шинах тактового сигнала

Тактовые сигналы высокой частоты являются источниками ВЧ помех, частота которых может иногда располагаться довольно близко к частоте полезного сигнала. Поэтому необходимо применять EMI-фильтры с крутыми спадами АЧХ и высоким коэффициентом подавления, например, фильтры серии NFW31S (чипфильтр EMIFIL® для линий передачи сигналов) или серии BLMxxB (ферритовые чип-бусины для высокоскоростных линий передачи сигналов). Помехи, вызванные переходными токами, возникают также на шине питания. Для их подавления следует установить рядом с выводами питания генератора шунтирующий конденсатор и ферритовую чип-бусину.

.4 Установка фильтров на шинах передачи сигналов

Шины содержат множество линий передачи сигналов, переключающихся одновременно. Изменение сигналов на шинах адреса и данных вызывает значительное увеличение импульсного тока, протекающего в цепях земли (GND) и питания. Поэтому необходимо ограничивать ток, протекающий по линиям передачи сигналов. Для этого, в основном, применяют компоненты серии BLM (ферритовые чипбусины). На шинах управления, особенно работающих на высоких скоростях и при высоких уровнях помех, используют фильтры с резистивными компонентами, например фильтры серии NFR21 (фильтр EMIFIL®).

.5 Эффективность применения ферритовых чип-бусин на шинах передачи сигналов

Ниже на рисунках 7-8 приведены осциллограммы сигнала помех до и после установки ферритовых чип-бусин серии BLM на шинах передачи данных.

Рисунок 8 - После установки фильтров

4.6 Установка фильтров в местах подключения интерфейсного кабеля

Для снижения помех в местах подключения интерфейсного кабеля привода CD-ROM очень важно минимизировать уровень шума земли (GND) печатной платы. Металлический корпус привода CD-ROM и земля печатной платы должны соединяться вместе при помощи винтов, чтобы в точке соединения обеспечить низкий импеданс на высоких частотах. В местах подключения интерфейсного кабеля необходимо устанавливать EMI-фильтры. Следует уделить особое внимание выбору номиналов элементов EMI-фильтров, так как в некоторых конфигурациях ПК при больших значениях емкости или индуктивности фильтров привод CD-ROM может не работать.

5. Пример подавления помех в источниках питания переменного тока

5.1 Источники излучаемых помех в импульсных блоках питания

В импульсных источниках питания помехи возникают при переключении ключевых элементов. Эти помехи наводятся на кабель питания, подключенный к сети переменного тока. Поэтому необходимо принимать меры для их подавления.

5.2 Типовое решение сетевого фильтра электромагнитных помех для импульсного источника питания

Для подавления помех, проникающих через кабель питания в первичную цепь из импульсного источника питания, применяется приведенная на рисунке 9 схема.

Рисунок 9 - Подавления помех, проникающих через кабель

.3 Дифференциальные и синфазные помехи

Помехи бывают двух типов: дифференциальные и синфазные. Ток дифференциальной помехи, наведенный на оба провода линии питания, протекает по ним в противоположных направлениях, как показано на рисунке 10. Ток синфазной помехи протекает по всем линиям в одном направлении, смотреть рисунок 11.

Рисунок 10 - Дифференциальная помеха

Рисунок 11 - Синфазная помеха

5.4 Функциональное назначение элементов сетевого фильтра

На рисунках, представленных ниже, приведены примеры использования различных элементов фильтра и графики, иллюстрирующие эффект от их применения. Приведенные графики показывают изменение интенсивности дифференциальных и синфазных помех импульсного источника питания относительно уровня индустриальных помех. На рисунке 12 представлены графики сигналов в отсутствие фильтра на входе импульсного источника питания. Как видно из графика, уровень дифференциальных и синфазных помех достаточно высок. Рисунок 13 иллюстрирует пример использования фильтрующего X-конденсатора. На графике видно заметное снижение уровня дифференциальных помех.

На рисунке 14 представлены результаты совместного использования X-конденсаторов и Y-конденсаторов. График наглядно показывает эффективное подавление как синфазных, таки дифференциальных помех. Применение X-конденсаторов и Y-конденсаторов в комбинации с синфазным дросселем (дросселем для подавления синфазных помех) показано на рисунке 15. График отражает дальнейшее снижение уровня и дифференциальных, и синфазных помех. Это происходит потому, что реальный синфазный дроссель имеет некоторую дифференциальную индуктивность.

Рисунок 12 - Без фильтра

Рисунок 13 - С использованием Х-конденсатора

Рисунок 14 - С использованием Х-конденсатора и Y-конденсатора

Рисунок 15 - С использованием Х-конденсатора, Y-конденсатора и синфазного дросселя

6. Пример подавления помех в мобильном телефоне

6.1 Источники излучаемых помех

Помехи, создаваемые блоком обработки сигналов, проходят в ВЧ блок, что приводит к значительному ухудшению чувствительности. Блок обработки сигналов мобильного телефона, который обычно построен на ИС обработки сигналов в основной полосе частот, управляет различными сигналами, такими как речевой сигнал и сигнал для ЖК-дисплея. ИС обработки сигналов является источником значительных помех, поскольку работает на высокой частоте и к ней подсоединены множество линий передачи данных. При прохождении помех по линиям передачи данных или шинам питания/GND из блока обработки сигналов в ВЧ блок происходит ухудшение его чувствительности, в результате увеличивается частота появления ошибочных битов (Bit Error Rate - BER).

6.2 Компоненты для подавления помех в мобильных телефонах

Для улучшения параметра BER (Bit Error Rate), то есть уменьшения процента принятых ошибочных битов, необходимо подавить помехи, проникающие из блока обработки сигналов в ВЧ блок. Для этого следует установить EMI-фильтры на всех шинах, соединяющих данные блоки. Кроме того, важно также экранировать блок обработки сигналов, поскольку излучаемый им уровень помех в последних моделях мобильных телефонов значительно возрос.

.3 Установка фильтров на шине управления дисплеем

Шина управления ЖК-дисплеем содержит множество линий передачи сигналов, переключающихся одновременно, что вызывает значительное увеличение импульсного тока, протекающего в цепях земли (GND) и питания. Поэтому необходимо ограничивать ток, протекающий по сигнальным линиям. Обычно для этого используются матрицы ферритовых чип-бусин серии BLA31 и чип-фильтры EMIFIL® серии NFA31G с резистором. Если по конструктивным причинам применение указанных компонентов невозможно, то для подавления помех, проходящих через гибкий кабель ЖК-дисплея, следует использовать EMC-абсорберы серии EA.

6.4 Улучшение экранирования

Обычно на внутреннюю поверхность пластикового корпуса мобильного телефона наносят токопроводящее покрытие. При расширении функциональности мобильного телефона уровень помех от блока обработки сигналов также увеличивается. Поэтому необходимо экранировать блок обработки сигналов с такой же тщательностью, как и ВЧ блок. При разработке корпуса мобильного телефона, для снижения импеданса на высокой частоте нужно стараться обеспечить как можно большую площадь контакта между частями корпуса. Для улучшения экранирования, в блоке обработки сигналов, где это, возможно, следует применять металлические экранирующие элементы или EMC-абсорберы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главное к чему приводят повышенные токи в нулевом проводе, это возникновение на его сопротивлении Z, повышенного напряжения. Эти напряжения различны для различных объектов на территории, как «сидящих» на одном фидере, так и на различных фидерах. Мне известны случаи, когда разность напряжений в точках подключения нулевого провода на соседних объектах (зданиях) превышала 50 вольт.

К чему это приводит. Для простого перекоса фаз при подключении нулевого провода к нулю объекта (защитное зануление, сейчас говорят система, выравнивая напряжений) разность напряжений между соседними объектами создавало токи перетекания между объектами. Эти токи плавили кабели связи, оплетка которых заземлялась на объектах (реальные токи достигали десятков-сотен ампер). Даже если кабели не плавятся, этот ток, протекающий по оплетке или земляной жиле кабеля, наводит на сигнальных цепях напряжение соизмеримое с образующим этот ток.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Murata Manufacturing Co., [Электронный ресурс] / Пример подавления помех в настольных ПК. - Электрон. дан. - Copyright © Murata Manufacturing Co., Ltd. All Rights Reserved, 2012. - Режим доступа: http://www.murata.eu/ru/, Пример подавления помех в настольных ПК, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

Найфельд М. Р. Заземления, защитные меры безопасности. - 4-е изд. - М.: Энергия, 1971.