Целью исследования является совершенствование программно-аппаратного метода обеспечения тепловых режимов аппаратуры, имеющих в своем составе синтезатор частот, позволяющего:
- Снизить энергопотребление аппаратуры по сравнению с существующими методами термостатирования;
- Повысить стабильность выходной частоты;
- Обеспечить оперативную диагностику теплового режима радиоаппаратуры;
- Обеспечить устойчивую работу аппаратуры длительного функционирования, в условия жёстких внешних воздействий.
В большинстве устройствах самого различного назначения необходима схема, генерирующая сигналы различных частот и позволяющая с высокой точностью управлять параметрами этого сигнала.
В последнее время самым популярным генератором частот стал синтезатор, вытеснивший все другие виды даже самых стабильных генераторов с параметрической стабилизацией частоты. Так как стабильность частоты синтезатора сопоставима со стабильностью кварцевого резонатора, и имеет большие возможности по цифровому управлению.
Под термином «синтезатор частоты» понимают электронное устройство, способное из опорной частоты получать на выходе требуемую частоту или набор частот, согласно управляющим сигналам. На сегодняшний день существуют следующие виды синтезаторов:
- Прямой аналоговый синтез (Direct Analog Synthesis, или DAS) на основе структуры смеситель/фильтр/делитель, при котором выходная частота получается непосредственно из опорной частоты посредством операций смешения, фильтрации умножения и деления;
- Косвенный (indirect) синтез на основе фазовой подстройки частоты (Phase Locked Loop, или PLL), когда выходная частота получается с помощью дополнительного генератора (чаще Voltage Controlled Oscillator, или VCO), который охвачен петлей фазовой автоподстройки;
- Прямой цифровой синтез (Direct Digital Synthesis, или DDS), когда выходной сигнал синтезируется цифровыми методами;
- Гибридный синтез, представляющий собой комбинацию нескольких описанных выше методов.
Являясь сердцем устройства, синтезатор определяет потребительские свойства системы. Основными параметрами, характеризующими качество работы синтезаторов, являются [1–6]:
- чистота спектра выходного сигнала (уровень побочных компонентов и уровень шума);
- диапазон перестройки (полоса частот выходного сигнала);
- скорость перестройки;
- частотное разрешение;
- количество разных генерируемых частот;
- гибкость (возможность осуществления различных видов модуляции);
- неразрывность фазы выходного сигнала при перестройке.
Синтезаторы частот, построенные по методу DDS и обладающие рядом преимуществ, показанных выше, завоевали сегодня большую часть рынка [4]. Однако хотя и утверждается, что синтезаторы DDS не подвержены температурному дрейфу, применение их в устройствах эксплуатируемых в жёстких условиях вызывает сомнение. К таким устройствам относятся портативные, носимые и мобильные средства связи, репитеры, работающие непосредственно на удалённых вышках связи, автономные средства навигации и т. п. Как правило, данная группа оборудования испытывает циклические изменения температуры. Степени защиты подобного оборудования приведены в [5]. Циклические изменения температуры в случае синтезатора DDS могут привести к нестабильности частоты опорного генератора.
На сегодняшний день, для уменьшения температурной погрешности задающих генераторов применяют методы термокомпенсации или термостатирования. Каждый из представленных методов имеет свои достоинства и недостатки.
При использовании метода термостатирования синтезатор нагревается до заданной температуры, которая в течение работы поддерживается постоянной. Достоинствами метода термостабилизации являются более низкая нестабильность частоты в рабочем диапазоне температур в сравнении с методом термокомпенсации. К недостаткам можно отнести, высокое энергопотребление (на несколько порядков выше, чем при термокомпенсации), большие габариты и масса.
Метод термокомпенсации заключается в том, что выходная частота корректируется с изменением температуры по какому-либо закону. В силу чего имеет более низкое энергопотребление и габаритные размеры, но как следствие, более высокую нестабильность частоты в рабочем диапазоне температур.
Учитывая малый шаг перестройки по частоте в DDS, открывается возможность параметрической температурной компенсации выходной частоты синтезатора. Таким образом, оптимальным решением проблемы обеспечение теплового режима аппаратуры использующей синтезатор может стать программный способ стабилизации частоты генератора DDS.
Суть данного метода заключается в диагностике температуры внутри блока бесконтактными датчиками температуры (прирометрами). И на основании их показаний осуществлять коррекцию выходной частоты синтезаторов. Пример размещения датчика на плате представлен на рис.1.
Рис. 1. Пример размещения пирометрического сенсора на печатной плате
Использование для диагностики бесконтактных датчиков температуры имеет следующие преимущества, перед контактными:
- увеличение технологичности сборки, за счет уменьшения дополнительных операций сборки. В данном случае датчик устанавливается на одном этапе сборки платы;
- за счет определения температуры блока, открывается больше возможностей для диагностики соседних узлов электронного блока (перегрев соседних ЭРЭ);
Таким образом, введение термокомпенсации в DDS, позволяет используя термостатированные генераторы улучшить стабильность выходной частоты от температуры, сохранив при этом малое энергопотребление. А использование бесконтактных датчиков температуры увеличить технологичность сборки и обеспечить диагностику рядом расположенных элементов, что при увеличении плотности компоновки блоков РЭА является актуальной задачей.
Литература:
1. Ридико Л. И. Компоненты и технологии, 2001, № 7, С. 50–54
2. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.analog.com/ru/rfif-components/pll-synthesizersvcos/products/index.html
3. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.analog.com/ru/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/products/index.html
4. Мёрфи Е., Власенко А. Всё о синтезаторах DDS Компоненты и технологии, 2005, № 1, С. 53–57.
5. ГОСТ 14254–96 Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP)
6. Горячев Н. В. К вопросу выбора вычислительного ядра лабораторного стенда автоматизированного лабораторного практикума / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2009. № 10. С. 128–130.
7. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.
8. Горячев Н. В. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в САПР электроники Altium Design / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120–122.
9. Горячев Н. В. Обзор современных симплексных ретрансляторов радиосигналов/ Сивагина Ю. А., Граб И. Д., Горячев Н. В., Юрков Н. К.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 74–76.
10. Горячев Н. В. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. М. Трифоненко, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 396–399.
11. Горячев Н. В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 239–240.
12. Горячев Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433–436.
13. Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 534–540.
14. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков //Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385–391.
15. Горячев Н. В. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2010. № 11. С. 171–176.
16. Горячев Н. В. Структура и программно-информационное обеспечение информационно-измерительного лабораторного комплекса / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 130. № 5. С. 169–173.
17. Горячев Н. В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162–166.
18. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования компьютерной программы стенда исследования теплоотводов/ Граб И. Д., Горячев Н. В., Лысенко А. В., Юрков Н. К.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 244–246.
19. Горячев Н. В. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий / А. Ю. Меркульев, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. — 2013. — № 11. — С. 143–145.
20. Горячев Н. В. Программные средства теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. 2013. № 10. С. 128–130.
21. Горячев Н. В. Индикатор обрыва предохранителя как элемент первичной диагностики отказов РЭА / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 78–79.
