Исследование процессов влияния промышленных и флуктуационных помех на работоспособность компьютерной системы с помощью экранирующих средств - Лабораторная работа
Блок-схем алгоритма. Листинг программы и рекомендации по защите компьютерной системы от влияния помех. Правильное электронное конструирование. Отражение и рассеяния электромагнитных волн при их экранировании. Характеристическое сопротивление экрана.
Аннотация к работе
Тем не менее, лучше исключить саму возможность возникновения помех еще на этапе конструирования, для этого необходимо: 1) выбрать трансформатор с низким рассеянием; 2) установить его в нижней части корпуса и закрыть стальной крышкой, служащей экраном; 3) смонтировать как можно дальше от ЭЛТ, при этом поле рассеяния трансформатора должно быть направленно вдоль оси ЭЛТ; 4) предусмотреть возможность размещения вокруг ЭЛТ стандартного однослойного экрана. Различие характеристических сопротивлений волны и экрана приводит к тому, что волна частично отражается от границы раздела воздух - экран, а частично проникает сквозь экран, где часть ее энергии превращается в тепло. Достигнув границы раздела экран - воздух, волна частично отражается в обратном направлении, а частично проходит через экран. Магнитные поля с низким характеристическим сопротивлением (|Z |= 376,7 Ом) легко проникают сквозь границу раздела воздух - экран, но ощущают отражения на границе раздела экран - воздух. Для экранирования магнитных полей частотой 10 КГЦ - 1 МГЦ следует применять стальную или железную фольгу, а для экранирования магнитных полей частотой ниже 10 КГЦ, когда становятся критическими размер и масса экрана, - сплавы с высокой магнитной проницаемостью (мю-металл, пермаллой).
Введение
Экранирование. Очень часто для защиты схем от помех пользуются дорогими экранами, хотя при правильном электронном конструировании этих препятствий можно было бы избежать. Если рядом с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) осциллографа установить обычный сетевой трансформатор (50 Гц), то изображение на экране осциллографа будет подвержено случайным искажениям. Можно избежать влияния помех, установив дорогие трехслойные экраны. Тем не менее, лучше исключить саму возможность возникновения помех еще на этапе конструирования, для этого необходимо: 1) выбрать трансформатор с низким рассеянием; 2) установить его в нижней части корпуса и закрыть стальной крышкой, служащей экраном; 3) смонтировать как можно дальше от ЭЛТ, при этом поле рассеяния трансформатора должно быть направленно вдоль оси ЭЛТ; 4) предусмотреть возможность размещения вокруг ЭЛТ стандартного однослойного экрана.
Эффективность экранирования (ослабление) обычно выражается формулой
(1)
Если экран находится в воздухе или в вакууме, это выражение принимает вид
(2)
В большинства случаев для защиты от помех и наводок эффективность экранирования должна равняться 30-60 ДБ. На частотах выше 100 КГЦ однослойные экраны обеспечивают эффективность экранирования 40-70 ДБ, а двухслойные до 120 ДБ. Отверстия и зазоры ограничивают ослабление электрических и высокочастотных магнитных полей, в то время как ослабление низкочастотных магнитных полей определяется материалом экрана и его толщиной. Для эффективного ослабления магнитных полей материал экрана должен быть ненасыщенным [1].
Рис. 1. Отражение и рассеяния электромагнитных волн при их экранировании
На Рис. 1 электромагнитная волна частотой f [Гц] с характеристическим сопротивлением волны |Z | встречает на своем пути экран толщиной T [м] с магнитной проницаемостью = ? 1,257 r • 10-6 [Гн/м] и удельным сопротивлением [Ом • м]. На частоте f [Гц] характеристическое сопротивление экрана есть
(3) где = ( f)1/2 [м] - толщина скин-слоя;
ZS - характеристическое сопротивление экрана. Различие характеристических сопротивлений волны и экрана приводит к тому, что волна частично отражается от границы раздела воздух - экран, а частично проникает сквозь экран, где часть ее энергии превращается в тепло. Достигнув границы раздела экран - воздух, волна частично отражается в обратном направлении, а частично проходит через экран.
Электромагнитная волна, которая распространяется в материале экрана, ощущает многократное отражение и, в конце концов целиком рассеивается или превращается в тепло Эффективность экранирования можно выразить в виде
Э = R A B [ДБ], (4) где
(5)
(6)
(7)
Здесь R описывает процесс начального отражения, A - ослабления и B - многократного отражения. При A = 10 ДБ B ? 0 ДБ. В Табл. 1 представлена толщина скин-слоя обычных экранов.
Скин-эффект - это распределение переменного тока преимущественно в тонком приповерхностном слое проводника.
Толщина скин-слоя - толщина слоя в веществе, при прохождении которого электромагнитное поле слабеет в e раз по сравнению с величиной на поверхности проводника.
Высокие частоты - свыше 300 КГЦ.
Магнитная проницаемость - величина, равная отношению магнитной индукции в материале к напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость вакуума =1,25663706 • 10-6 Гн/м.
Плоская волна - волна, у которой направление распространения одинаково во всех точках пространства.
Напряженность электрического поля E равна отношению силы F, действующей в электрическом поле на заряд q, к этому заряду. Вольт на ампер (B/A) есть напряженность электрического поля, действующая на заряд 1 Кл с силой 1 Н.
Напряженность магнитного поля H - количественная характеристика магнитного поля, не зависящая от магнитных свойств среды и равная магнитной индукции B, деленной на абсолютную магнитную проницаемость H=B/( ). Ампер на метр (А/м) равно напряженности магнитного поля в вакууме при магнитной индукции, равной тесла (Тл).
Заземляя экраны, можно защитить схемы и от низкочастотных электрических полей.
Магнитные поля с низким характеристическим сопротивлением (|Z |= 376,7 Ом) легко проникают сквозь границу раздела воздух - экран, но ощущают отражения на границе раздела экран - воздух. При этом часть волны, не поглощающаяся в экране после многократных внутренних отражений, в конечном итоге рассеивается. Поэтому экраны, которые защищают от магнитных полей, должны быть толстыми (по сравнению с толщиной скин-слоя ), иметь высокую магнитную проницаемость и низкое удельное сопротивление . Чтобы предотвратить насыщению экрана, желательно между ним и компонентами предусмотреть зазор не менее 6 мм. Если экраны изготовлены из фольги, перекрытие в месте шва должно составлять более 13-20 мм, а радиусы кривизны должны, по крайней мере, вдвое превышать толщину экрана.
В общем случае экран, толщина которого обеспечивает необходимую механическую прочность, обеспечивает защиту от всех видов электромагнитного излучения, кроме магнитных полей низкочастотного диапазона. Эффективную защиту от электрических полей, электромагнитного излучения, а также от магнитных полей частотой выше 1 МГЦ создают медные или алюминиевые экраны. Для экранирования магнитных полей частотой 10 КГЦ - 1 МГЦ следует применять стальную или железную фольгу, а для экранирования магнитных полей частотой ниже 10 КГЦ, когда становятся критическими размер и масса экрана, - сплавы с высокой магнитной проницаемостью (мю-металл, пермаллой). Установка дополнительных экранов для уменьшения уровня излучаемых помех, может привести к резонансам в экране, возможность которых возрастает, когда самый большой размер экрана близок к половине длины волны излучения. Во избежание резонанса следует изготавливать экраны из металлов с низким удельным сопротивлением и высокой магнитной проницаемостью, чтобы они поглощали, а не отражали электромагнитное излучение.
ЭЛТ и смотровые окна покрывают прозрачным проводящим слоем; наибольшее распространение получили оксид олова, оксид индия-олова и золото. Покрытия должны иметь поверхностное сопротивление не более 1 Ом/квадрат и обладать эффективностью экранирования 6 ДБ, что обеспечивает безопасную работу персонала в любых производственных условиях. Можно также натянуть на осмотровые окна мелкоячеистую металлическую сетку. В любом случае для соединения проводящих покрытий или металлических сеток с корпусом могут потребоваться проводящие прокладки.
В большинстве случаев прохождения полей через экраны обусловлено отверстиями, зазорами и т.д., которые уменьшают эффективность экранирования. Поэтому конструкция экрана должна сводить эти нежелательные влияния к минимуму.
Рис. 2. Экран с прямоугольной щелью.
На Рис. 2 показана прямоугольная щель в экране (например, для охлаждения системы). Если размеры щели W x H [м] (W= H), а толщина экрана T [м], эффективность экранирования сигнала длиной > 2(W H) [м] можно рассчитать по формуле
(8) при >>2W.
Угловая частота - круговая частота - число колебаний, совершаемых за 2 секунд.
(9) где f- число колебаний в секунду;
T - период колебаний.
Рис. 3. Экран с круглым отверстием.
На Рис. 3 показанное круглое отверстие в экране (для установки органов регулировки и измерения, а также для вентиляции). Пусть D [м] - диаметр отверстия, а T [м] - толщина экрана, тогда эффективность экранирования сигнала длиной > D вычисляется по формуле
(10)
Здесь ? 2,998 • 108/f [м].
Первый член в этих уравнениях описывает влияние отверстия, а второй - запредельный волноводный эффект. В общем случае диаметр отверстия или ширина щели не должны превышать 0,05 [м]. Экранирующий эффект нескольких отверстий зависит также от расстояния между ними и дальности источника.
Рис. 4. Экраны с матрицей прямоугольных отверстий.
На Рис. 4 а и б показаны экраны толщиной T [м] с матрицей прямоугольных щелей размером W x H [м] (W=H), расстояние между которыми S [м]. Экраны изготовлены из металла с удельным сопротивлением с [Ом х м] и магнитной проницаемостью ? 1,257 • 10-6 r [Гн/м]. Источник отдален от экрана на r [м] и генерирует сигналы частотой f [Гц] и длиной волны = c/f ? 2,998 x 108/f [м]. Эффективность экранирования перфорированными экранами выражается формулой
Э = Aa Ra Ba K1 K2 K3 [ДБ], (11) где
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17) где
(18)
(19)
Здесь Aa - коэффициент ослабления электромагнитного излучения отверстием в экране, [ДБ];
Ra - коэффициент отражения электромагнитного излучения от отверстия экрана, [ДБ];
Ba - коэффициент повторного отражения электромагнитного излучения в отверстии экрана, [ДБ];
K1 - эффективность экранирования электромагнитного излучения отверстиями в экране, [ДБ];
K3 - корректирующий фактор, учитывающий расположение отверстий в экране, [ДБ].
Если источник сигнала находится далеко от экрана (r>>W S [м]), то следует пользоваться членом K1. По мере приближения источника сигнала к экрану точное расстояние между источником и самой близкой щелью начинает играть все большую роль. Когда источник помех или воспринимающая их схема, расположены вблизи экрана, для большей надежности можно принять K1=0 .
Рис. 5. Экраны с матрицей круглых отверстий.
На Рис. 5 а и б показаны экраны с матрицей круглых отверстий диаметром D [м]. Эффективность экранирования перфорированным экраном рассчитывается по формуле
Э = Aa Ra Ba K1 K2 K3 [ДБ], (20) где
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
(26) где
(27)
(28)
Когда источник помех находится вблизи экрана, следует принять K1=0.
Рис. 6. Проволочная сетка (диаметр провода T).
Для проволочных сеток (Рис. 6) следует пользоваться выражениями для экрана с матрицей прямоугольных щелей, положив T=S (диаметр провода) и K1=0, а в случае экрана с шестигранными отверстиями - выражениями для экрана с круглыми отверстиями, выбрав в качества D и S соответственно расстояния между гранями и толщину стенок.
Таблица 2
№ варианта Вид излучения Частота, Гц Z , OMS, MT, MH, mr, м