Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим вопросом при конструировании электронной вычислительной аппаратуры (ЭВА) является обеспечение ее работоспособности в процессе эксплуатации при воздействии дестабилизирующих факторов. К числу таких факторов относятся климатические, механические, электромагнитные и другие воздействия. Одним из видов электромагнитных воздействий является непосредственное нежелательное влияние сильных электрических, магнитных и электромагнитных полей (помех) как на ЭВА в целом, так и на ее отдельные части. Это обусловлено тем, что ЭВА может располагаться в зоне действия этих полей, которые приводят к появлению наводок в электромонтажных соединениях модулей ЭВА. Примерами являются измерительная и управляющая ЭВА электрофизических установок и электростанций, вычислительные блоки в системах управления высокоэнергетическим технологическим оборудованием и станками с ЧПУ, отдельные узлы ЭВА, которые сами становятся источниками электромагнитных полей в локальных областях, влияющие на работоспособность остальной ее части. В связи с этим важное значение приобретает проблема разработки мер зашиты от нежелательных воздействий, которые должны применяться на всех стадиях проектирования ЭВА. Данная проблема и в дальнейшем будет приобретать все большую значимость. Причинами этого являются:
основные тенденции в развитии конструктивно-элементной базы ЭВА, направленные на повышение ее производительности, которые состоят в увеличении быстродействия элементной базы, что приводит к росту внутренних помех, и в снижении энергии переключения микросхем, что ведет к росту их восприимчивости к помехам;
приближении ЭВА к объекту управления в результате улучшения ее массогабаритных и стоимостных показателей, причем сам объект управления часто является источником сильных помех;
возрастание числа и мощности источников помех, вызванное ростом энерговооруженности промышленности и развитием высокопроизводительных энергоемких технологий.
Одним из основных способов достижения требуемой помехозащищенности узлов ЭВА является их рациональное конструирование,
-.2 -
которое должно обеспечить надежную работу ЭВА. Применительно к условиям воздействия внешних магнитных полей оно состоит в прогнозировании уровней наводимых магнитным полем потенциалов и токов в межсоединениях модулей ЭВА и выборе тех решений, которые наиболее полно отвечают заданным требованиям.
В связи с этим важное значение приобретает проблема анализа и прогнозирования помех в соединениях модулей ЭВА 2,3 уровня ( модули типа монтажных плат и объединительных панелей) на этапе проектирования и выбора тех конструктивных решений, которые обладают потенциально более высокой помехозащищенностью. Одним из эффективных путей решения данной проблемы является применение метода анализа, инвариантного к различному конструктивному исполнению модулей ЭВА, построенного на использовании поля реакции конструкции.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики анализа и прогнозирования помехозащищенности конструктивных модулей ЭВА 2,37ГО уровней при воздействии внешних импульсных магнитных полей.
Для реализации методики было необходимо решить следующие основные задачи:
1. Выбрать эффективный подход к решению электродинамичес
кой задачи, позволяющий получить поле реакции конструкции мо
дуля ЭВА при воздействии на них внешнего импульсного магнит
ного поля.
2. Получить и исследовать интегральное уравнение поля ре
акции конструкции для прогнозирования помехозащищенности моду
лей ЭВА 2-3 уровней.
3. Разработать методику численного решения интегрального
уравнения поля реакции конструкции, алгоритм и программу, реа
лизующую его.
-
Разработать и исследовать удобную для использования в инженерной практике методику анализа и прогнозирования помехозащищенности, основанную на упрощенном решении полученного уравнения.
-
Разработать стендовую аппаратуру для экспериментального исследования помехозащищенности модулей ЭВА к воздействию ВМП.
-
Экспериментально исследовать возникающие помехи в сиг-
нальных соединениях модулей различных конструкций, сравнить их с рассчитанными по разработанной методике и разработать практические рекомендации по повышению помехозащищенности модулей 2-3 уровня различных конструкций.
Методы исследования. В работе использованы методы теории электромагнитного поля и анализа электрических цепей, метод интегральных уравнений, численные методы решения систем алгебраических уравнений, методы теории рядов, вариационные методы оптимизации.
Научная новизна состоит в следующем:
получено и исследовано интегральное уравнение поля реакции конструкции, позволяющее прогнозировать помехозащищенность;
разработаны методика и алгоритм его численного решения;
произведена оценка точности получаемых результатов для моделей, имеющих аналитическое решение;
- предложена и исследована методика оценки помехозащи
щенности конструкций модулей ЭВА, основанная на приближенном
решении полученного уравнения, удобная для использования в
инженерной практике;
предложены критерии сравнения конструкций по помехозащищенности, основанные на анализе получаемых приближенных решений интегрального уравнения;
разработан способ локальной оптимизации конструкции модуля ЭВА типа двусторонних печатных плат.
Практическая ценность результатов работы.
На основе приближенного аналитического решения интегрального уравнения и критерия сравнения разработана инженерная методика анализа и прогнозирования помехозащищенности модулей ЭВА типа монтажных плат и объединительных панелей. Данная методика была использована при разработке ряда рекомендаций руководящих технических материалов (РТМ) "Методы и средства обеспечения ЭМС блоков и устройств РЭС электрофизической аппаратуры", внедренных в НИИ ЭФА г. Ленинград.
Разработана стендовая аппаратура, позволяющая экспериментально исследовать восприимчивость модулей ЭВА к . импульсному магнитнбму полю.
Использование данной методики и результатов экспериментальных исследований позволило получить практические рекомен-
дации по повышению помехозащищенности модулей с печатным и проводным монтажом при воздействии на них внешнего магнитного поля. Два таких решения защищены авторскими свидетельствами.
Результаты внедрены bj_ НИИ ЭФА г. Ленинград - РТМ и пояснительная записка к нему, в которые включены практические рекомендации, конкретные технические решения и методика анализа и прогнозирования помехозащищенности модулей; УРЕП ПО КАМАЗа -анализ помехозащищенности и рекомендации по ее повышению цехового измерительного комплекса "Микрон-002"; КГТУ - в учебном процессе, что подтверждается документами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения -диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- международном симпозиуме по электромагнитной совмести
мости "ЭМС-93" (г. С.-Петербург, 1993);
научно-технической конференции "Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА (г. Пенза, 1987);
всесоюзной научно-технической конференции "Новые электронные приборы" (Москва, 1988);
- всесоюзной научно-технической конференции "Методы и
средства борьбы с помехами в цифровой технике (г. Вильнюс,
1990);
всесоюзной научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость судовых технических средств" (Новоро-сийск, 1990);
республиканском научно-техническом семинаре "Актуальные вопросы использования достижений науки и техники в народном хозяйстве" (Казань, 1989);
научно-технических семинарах "Помехозащищенность и электромагнитная совместимость РЭА и ЭВА" (Казань, 1987, 1989);
научно-технических конференциях КАИ (Казань, 1985 -1991).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы
в 10 печатных работах (см.' перечень публикаций в конце авто
реферата). , -
На защиту выносятся:
1. Интегральное уравнение поля реакции для прогнозирова
ния помехозащищенности модулей ЭВА 2,3 уровня, инвариантное к
их конструктивному исполнению.
2. Методика и алгоритм численного решения интегрального
уравнения.
-
Методика анализа и прогнозирования помехозащищенности модулей ЭВА различных конструкций. -
-
Способ локальной оптимизации широко распространенных конструкций модулей, выполненных на основе двусторонних печатных плат. .
5. Результаты экспериментального исследования помехозащи
щенности модулей 2-го уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы ( 94- наименования). Работа содержит 113 страниц текста, 35 рисунков и 9 таблиц. Общий объем 139 страниц.
