ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ

 

4.1. Помехоустойчивость аналоговых систем

 

Помехоустойчивость – способность противостоять воздействиям, вызывающим обратимые нарушения. Это свойство чувствительного элемента нормально работать при воздействии помехи. Количественно помехоустойчивость рассматриваемого объекта задается в виде допустимого воздействия в форме амплитуды импульса напряжения, напряженности поля, граничной энергии, стандартизированного испытательного воздействия и т.д. Если при воздействии, превышающем предел помехоустойчивости, не происходит разрушения объекта, то наблюдается обратимое нарушение функционирования. После исчезновения помехи или после повторного включения рассматриваемое устройство может работать нормально, ему не требуется ремонт или замена деталей или группы элементов.

Помехоустойчивость аналоговых систем характеризуется границами абсолютного отклонения:

	Аналоговая система

U_en, U_st U_a (U_en, U_st).

 

,

где U_еn – напряжение на входе аналоговой системы;

U_st – напряжение помехи на входе аналоговой системы;

U_а – выходной сигнал аналоговой системы.

Для классификации помехоустойчивости вводят следующую относительную величину:

Техническое значение s для телефонных систем – 30 дБ, для телевидения – 48 дБ и для радиовещания 60 дБ.

 

4.2. Помехоустойчивость логических элементов

 

К дискретным системам относятся импульсные и цифровые системы. Имеются три вида импульсной модуляции: амплитудная, широтная и фазовая, с постоянным периодом чередования импульсов. Кроме того, существует частотная импульсная модуляция, когда размер импульса неизменен, а частота (период) следования импульсов меняется в зависимости от входного сигнала. Все эти четыре вида импульсной модуляции характеризуются квантованием входного непрерывного сигнала по времени. Цифровые же системы отличаются одновременным квантованием сигнала во времени и по уровню. При этом эффект квантования сигнала по уровню тем значительнее сказывается на особенностях процесса управления, чем меньше число разрядов, т.е. чем больше размер ступенек квантования уровня сигнала. В том случае, когда в контур системы управления включается цифровой вычислитель, проявляются еще такие особенности, как: преобразование сигнала в соответствии с заданным вычислительным алгоритмом и временное запаздывание, обусловленное временем, необходимым для процесса вычисления. К дискретным системам относят также релейные системы.

Отсутствие единой методологии в определении помехоустойчивости логических элементов порождает многообразие определений, порою противоречащих друг другу. Поэтому представляет интерес попытка применения единого вероятностного подхода к определению (качественному и количественному) помехоустойчивости потенциальных логических элементов (ПЛЭ). Выбор ПЛЭ обусловлен тем, что они нашли широкое применение в цифровой технике и являются перспективными.

Для последующего изложения принимается вероятностная модель представления анализируемых процессов. Выбор вероятностной модели обусловлен статистической природой рассматриваемых явлений. В зависимости от того, рассматривается или нет взаимодействие ПЛЭ с помехой во времени, возможные модели подразделяются на динамические и статические.

Принимается следующее качественное определение помехоустойчивости:

- помехоустойчивость ПЛЭ есть способность в условиях помех правильно выполнять заданный алгоритм с вероятностью не ниже обусловленной.

При детерминистическом определении помехоустойчивости по переходным характеристикам определяют запас помехоустойчивости для логических состояний «0» и «1». По этой методике напряжение (потенциал) помехи не должен превышать запаса помехоустойчивости.

 

В общем случае в вероятностных терминах это запишется как

, (1)

где V_П - амплитуда помехи (случайная величина);

U_П - запас помехоустойчивости (неслучайная величина);

Р₁ - индекс вероятности.

Так как в выражение (1) не входит «время» и все используемые напряжения – потенциальные, то помехоустойчивость, определяемую по (1), следует считать статической потенциальной помехоустойчивостью ПЛЭ – а_СТ.П.

Известен другой вид помехоустойчивости, характеризующий устойчивость ПЛЭ к единичной импульсной помехе. В этом случае устойчивость к помехе определяется уже двумя координатами:

- U_п - амплитудой помехи;

- t_LJ - длительностью пришедшего импульса.

Следовательно, помехоустойчивость к единичной импульсной помехе определяется двухмерным вектором – системой двух случайных величин:

, (2)

где t_ПОТ – минимальная длительность потенциала помехи, т.е. длительность, соизмеримая или превышающая длительность переходного процесса ПЛЭ.

Выражение (2) характеризует статическую помехоустойчивость к единичной импульсной помехе. Назовем ее статической импульсной помехоустойчивостью первого рода.

Для элементов ДТЛ помехоустойчивость практически полностью определяется статической потенциальной помехоустойчивостью для всех возможных помех. Элементам ТТЛ свойственна помехоустойчивость первого рода.

В реальных условиях эксплуатации возможна помеха, состоящая из группы в m(m-2) импульсов. Уровень помехоустойчивости при этом снижается. Такой вид помехоустойчивости можно назвать статической импульсной помехоустойчивостью первого рода. Помехоустойчивость второго рода определяется уже трехмерным вектором – системой трех случайных величин.

. (3)

Сравнение выражений (1), (2) и (3) показывает, что статическая потенциальная помехоустойчивость является частным случаем импульсной помехоустойчивости первого рода, а последняя, соответственно, является частным случаем статической импульсной помехоустойчивости второго рода.

В общем случае, помехоустойчивость ПЛЭ с несколькими возможными входами для помехи, с учетом логических состояний («0» или «1») и других параметров имеет вид:

где п - количество витков помех;

a_i - статистический коэффициент веса i-ro входа;

р_i - помехоустойчивость по i-му входу;

t - текущее время;

t_U - длительность импульса;

- длительность фронта импульса;

m - количество импульсов в групповой помехе; S - состояние ПЛЭ в момент прихода помехи («0»; «1» или переходный процесс);

N - количество внутренних положительно обратных связей;

к - коэффициент разветвления по выходу;

V_П - амплитуда помехи (случайная функция случайных аргументов);

U_П - запас помехоустойчивости (неслучайная функция случайных величин).

В заключение кратко приведем некоторые результаты проведенного анализа по возможностям определения запаса помехоустойчивости:

1. Если требуется определить запас помехоустойчивости ПЛЭ по методу наихудшего случая, то искомой величиной является запас статической потенциальной помехоустойчивости.

2. Грубо запас помехоустойчивости определяется, как значение математического ожидания неслучайной функции U_П при равенстве случайных аргументов выбранным постоянным значениям.

3. Тонкие методы определения запаса помехоустойчивости связаны с применением активного планируемого эксперимента.

При построении устройств цифровой техники на транзисторных логических элементах необходимо знать помехоустойчивость этих элементов.

Вопросы статической помехоустойчивости, ее теоретические и практические аспекты достаточно подробно освещены. Вопросы импульсной помехоустойчивости логических элементов слабо отражены в литературных источниках, а методы определения импульсной помехоустойчивости – в основном, экспериментальные.

Для определения импульсной помехоустойчивости транзисторных элементов необходимо знать реакцию элемента на импульсное воздействие по входу. Так как помехи, воздействующие на вход логического элемента, могут иметь различную амплитуду, длительность, частоту, и т.д., то возникает задача определения зависимости выходного сигнала от характеристик входного сигнала. Предлагается метод определения амплитудной характеристики передачи транзисторных логических элементов с учетом длительности, частоты и амплитуды входного сигнала, проводится анализ импульсной помехоустойчивости резистивно-транзисторного логического (РТЛ) элемента.

Для полупроводниковых элементов вводят характеристику помехоустойчивости в виде изображенного на рис. 4.1. графика:

Рис. 4.1. Пояснение помехоустойчивости дискретных систем:

 

Н, L - потенциальные области уровней высокого и низкого состояний;
U₀ -выходное напряжение схемы А; U₁ - входное напряжение схемы В;
(U_QHmin - U_QLmах), (W_1Hmin - W_lLmax) – запрещенные области; 1 – область
неустойчивости; 2 — область устойчивости.

4.3. Требования к помехоустойчивости

 

Для обеспечения помехоустойчивости приборов и их элементов необходимо гарантировать их работоспособность и с этой целью выделяется три класса требований к электронным устройствам: А1, А2, А3.

А1 – повышенные требования к устройствам управления технологическими процессами.

А2 – нормальные требования к персональным компьютерам и сложным приборам домашнего обихода.

А3 – пониженные требования к простейшим приборам домашнего обихода.

Прибор, кабель, линия – напряжение пробоя между корпусом и землей достигает 1 ÷ 8 кВ, а напряжение пробоя между входными клеммами может варьироваться от 50 до 5 кВ.

При обеспечении внутренней помехоустойчивости S_E при заданных климатических условиях необходимо гарантировать работоспособность рассматриваемого устройства. Это требование понятно и не подлежит дальнейшему обсуждению. Напротив, требования к внешней помехоустойчивости связаны с экономическими проблемами: с одной стороны, необходимо учитывать имеющиеся или ожидаемые в данном месте электромагнитные условия, а с другой – риск и последствия, связанные с возможной электромагнитной несовместимостью.

 

Контрольные вопросы:

1. Какое явление называют помехоустойчивостью?

2. Охарактеризуйте виды импульсной модуляции.

3. Что необходимо знать для определения импульсной помехоустойчивости транзисторных элементов?

4. Какие требования выделяются для обеспечения помехоустойчивости приборов и их элементов?

5. Какая величина вводится для классификации помехоустойчивости?

6. Чем руководствуются при построении устройств цифровой техники на транзисторных логических элементах?