МАЛОГАБАРИТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И МАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к измерительной техники и предназначена для измерения магнитной или электрической составляющих переменного электромагнитного поля внутри блоков и шкафов электронной аппаратуры для определения эффективности экранирования.
Неуклонный рост быстродействия и степени интеграции цифровых микросхем, а также постоянное снижение напряжений питания (выпускают микросхемы с напряжением питания менее 1 В) приводят к повышенной чувствительности этих микросхем к воздействию электромагнитных полей. Воздействие электромагнитных полей может нарушать правильное функционирование устройств и даже выводить их из строя. Эффективнейшим методом защиты электронной аппаратуры от внешних дестабилизирующих полевых воздействий является ее экранирование [1-3].
При конструировании и испытании блоков телекоммуникационной, электронно-вычислительной и медицинской аппаратуры, как наиболее чувствительной к различного рода электромагнитным воздействиям, необходимо количественно оценивать эффективность экранирования электрической и магнитной составляющих электрического поля переменного конструкции.
Известен измеритель напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, который содержит последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, детектор, показывающий прибор, калибровочную антенну, подключенную к выходу калибровочного генератора, калибровочный генератор выполнен регулируемым, основная антенна выполнена шаровой, а регулируемый усилитель размещен в ее центре, калибровочная антенна размещена максимально близко и симметрично к основной антенне, например, калибровочная антенна выполнена шаровой и размещена коаксиально внутри основной антенны. (Патент РФ №2152623, МПК G01R 29/08, опубл. 10.07.2000 г.)
Известный измеритель имеет следующие недостатки:
- узкий динамический диапазон измеряемой величины, недостаток существенен для описанного выше применения, поскольку заранее сложно оценить влияние реальной конструкции на эффективность экранирования и, соответственно, уровень остаточного поля внутри экранированного блока;
- измерения производятся в абсолютных величинах, что неудобно для определения значения эффективности экранирования, которая может изменяться в широком диапазоне и поэтому ее принято выражать в децибелах;
- слабая защищенность от внешних дестабилизирущих электромагнитных воздействий (особенно высокочастотных) из-за наличия в корпусе апертур, необходимых для ввода питания и вывода проводной линии на показывающий прибор.
Технической задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является повышение достоверности и удобства измерения магнитной и электрической составляющих переменного электромагнитного поля внутри блоков и шкафов электронной аппаратуры.
Поставленная техническая задача решается тем, что малогабаритный измеритель электрической и магнитной составляющих переменного электромагнитного поля, содержит последовательно соединенные измерительную антенну, защитный ограничитель, регулируемый усилитель высокой частоты, логарифмический детектирующий усилитель, малогабаритный измеритель снабжен микроконтроллером, соединенным с логарифмическим детектирующим усилителем, кроме того, малогабаритный измеритель снабжен энергонезависимой памятью и конвертором, преобразующим сигнал из протокола RS232 в протокол USB 2.0 для связи с ПК через интерфейс USB.
Устройство характеризуется дополнительными существенными признаками:
- малогабаритный измеритель снабжен экранированным корпусом, который снабжен высокочастотным разъемом для подключения измерительной антенны и снабжен резьбовой экранирующей заглушкой для экранирования гнезда связи с персональным компьютером.
- малогабаритный измеритель включает автономный источник питания, размещенный в экранированном корпусе.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей совокупности существенных признаков, заключается в повышении достоверности и удобстве измерений напряженности поля внутри блоков и шкафов электронной аппаратуры.
Применение логарифмического детектирующего усилителя обеспечивает широкий динамический диапазон измеряемой величины. Кроме того, он позволяет осуществить возможность измерения напряженности поля в относительных единицах - децибелах, что удобно для определения значения эффективности экранирования, которая может изменяться в широком диапазоне и поэтому ее принято выражать в децибелах.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунками, где на фиг.1 представлена блок-схема измерителя;
на фиг.2 изображена схема проведения измерения напряженности поля внутри экранированного блока с помощью такого устройства
на фиг.3 идеализированная характеристика логарифмического усилителя На фиг.1 представлены следующие позиции блок-схемы:
1 - измерительная антенна
2 - защитный ограничитель
3 - логарифмический детектирующий усилитель
4 - микроконтроллер
5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
6 - процессор
7 - таймер
8 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
9 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
10 - устройство ввода/вывода
11 - универсальный асинхронный приемо-передатчик
12 - энергонезависимая память
13 - конвертер
На фиг.2 представлены следующие позиции блок-схемы:
14 - малогабаритный измеритель
15 - испытуемый блок
16 - излучающая антенна
17 - усилитель мощности
18 - генератор высокой частоты
Малогабаритный измеритель электрической и магнитной составляющих переменного электромагнитного поля включает последовательно соединенные измерительную антенну 1, защитный ограничитель 2, логарифмический детектирующий усилитель 3, микроконтроллер 4.
Защитный ограничитель 2 предназначен для защиты измерительного устройства от возможных перенапряжений. В качестве защитного ограничителя 2 можно использовать комбинацию варисторов с разными рабочими напряжениями.
В качестве логарифмического детектирующего усилителя 3 для данного устройства можно использовать микросхему AD8307 фирмы Analog Devices [4], поскольку она обеспечивает наибольший динамический диапазон - 92 дБ. AD8307 имеет высокую чувствительность около 50 мкВ и верхний предел по частоте 500 МГц. Так же можно использовать другие модели микросхем Analog Devices с рабочим диапазоном до 2,5 ГГц и более, но они имеют меньший динамический диапазон.
Микроконтроллер 4 содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП), процессор 6, устройство ввода/вывода 10, а также соединенные с процессором 6 таймер 7, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 8, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 9, универсальный асинхронный приемо-передатчик 11.
Измеритель включает также энергонезависимую память 12, вход которой соединен каналами связи с устройством ввода/вывода 10 микроконтроллера 4, и конвертор 13, соединенный с выходом универсального асинхронного приемо-передатчика 11 и преобразующий сигнал с микроконтроллера 4 из протокола RS232 в протокол USB 2.0.
Измеритель снабжен экранированным корпусом (на рисунках не показан) с высокочастотным разъемом для подключения измерительной антенны и резьбовой заглушкой для экранирования гнезда связи с персональным компьютером.
Измеритель содержит элемент питания, размещенный в экранированном корпусе (на рисунках не показан)
Для измерения электрической составляющей поля необходимо подключить антенну электрического типа. Наиболее удобно использовать для этой цели антенну штыревого типа (электрический диполь). Для измерения магнитной составляющей соответственно необходима антенна магнитного типа, т.е. антенна виде замкнутого контура (магнитный диполь) или ферритовая антенна. В зависимости от конкретных задач могут использоваться другие, более сложные варианты антенн.
Измеритель применяют следующим образом (фиг.2). Устанавливают описываемый измеритель 14 в испытуемый блок 15 и оказывают на блок испытательное электромагнитное воздействие с помощью излучающей антенны 16. Излучающая антенна 16 подключена к усилителю мощности высокой частоты 17, который усиливает сигнал высокочастотного генератора 18.
Устройство работает следующим образом. Сигнал, наведенный в антенне 1, проходит через защитный ограничитель 2, необходимый для защиты устройства от возможных перенапряжений, и преобразуется логарифмическим детектирующим усилителем 3 в постоянное напряжения. Амплитуда этого постоянного напряжения пропорциональна логарифму переменного напряжения, наведенного измеряемым полем в антенне 1
Передаточная характеристика детектирующего логарифмического усилителя 4 описывается следующей формулой:
вых
вх
у
0
вх
вых
где U - выходное напряжение; U - переменное входное напряжение; U - крутизна передаточной характеристики (В/декада), U - напряжение U, при котором U=0 (нулевой уровень, относительно которого производятся измерения).
0
вх
Идеализированная характеристика логарифмического детектирующего усилителя 3 приведена на фиг.3 и представляет собой графическую иллюстрации формулы (1), которая улучшает понимание смысла ее параметров и принципа работы логарифмического детектирующего усилителя 3. У различных логарифмических усилителей положение точки U и наклон прямой отличаются, также они имеют определенное значение динамического диапазона (диапазон изменения U)
Благодаря использованию логарифмического детектирующего усилителя 3 расширяется динамический диапазон измерителя. Это особенно важно, поскольку заранее сложно оценить влияние реальной конструкции на эффективность экранирования и.соответственно, уровень остаточного поля внутри экранированного блока. К тому же измерения производятся в относительных единицах - децибелах, что удобно для вычисления значения эффективности экранирования, которую принято выражать в децибелах.
Усиленный и детектированный сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП) микроконтроллера 4. Процессор 6 периодически по сигналу таймера 7 считывает текущие данные с выхода АЦП и с помощью устройства 10 ввод/вывода записывает их в энергонезависимую память Результаты измерений могут сохранятся и во внутреннюю энергонезависимую память микроконтроллера.
Полученные данные используются для того, чтобы достоверно оценить эффективность экранирования реальной конструкции при различных воздействиях (по частоте, поляризации) путем вычисления количественной оценки эффективности экранирования.
Эффективность экранирования электрической составляющей поля вычисляется по формуле:
sh
где Е - напряженность электрического поля в некоторой точке пространства до установки экрана; Е - напряженность электрического поля в той же точке пространства после установки экрана.
Эффективность экранирования магнитной составляющей поля вычисляется по аналогичной формуле:
sh
где Н - напряженность электрического поля в некоторой точке пространства до установки экрана; Н - напряженность электрического поля в той же точке пространства после установки экрана.
Необходимый объем энергонезависимой памяти зависит от периода считывания данных с АЦП и от длительности цикла измерений. Объем памяти, занимаемый одним измерением, зависит от разрядности АЦП. Для большинства встроенных в микроконтроллер АЦП это 8 или 10 бит, то есть объем одного измерения составляет один байт или около одного байта. Существуют также отдельные АЦП в интегральном исполнении с разрядностью 12.
Критериями выбора энергонезависимой памяти являются - достаточный объем и минимальные габариты. Выпускается множество моделей микросхем памяти с различным объемом, из которых выбирается модель с необходимым объемом. Например, в устройстве могут быть использованы распространенные микросхемы 24LC64 или 24FC64 фирмы Microchip, они имеют память 64 кбит, что более чем достаточно для описанных выше задач.
По окончанию цикла измерений устройство извлекается из испытуемого объекта и подключается к персональному компьютеру для считывания результатов измерений.
Для считывания данных устройство подключается к порту USB персонального компьютера. При этом процессор 6 микроконтроллера 4 считывает данные из энергонезависимой памяти с помощью устройства ввод/вывода 10 и передает их с помощью универсального асинхронного приемо-передатчика 11 (блок UART микроконтоллера) в протоколе RS232 в конвертер 13 RS232/USB. В качестве конвертера RS232/USB можно использовать специализированные микросхемы серии FT232.
Повышение достоверности измерений достигается за счет защиты измерителя от полевых воздействий с помощью тщательно экранированного корпуса с отсутствием апертур. Корпус имеет лишь качественный высокочастотный разъем для подключения измерительной антенны и резьбовую экранирующую заглушку для защиты гнезда для связи с персональным компьютером.
Отсутствие линии передачи между антенной и измерителем способствует повышению точности. Благодаря отсутствию линии передачи также отпадает возможная необходимость в создании дополнительной апертуры в испытуемом блоке, для вывода линии передачи от измерительной антенны при использовании стандартного измерителя. Такая апертура может существенно уменьшать эффективность экранирования на высоких частотах.
Принципиальным преимуществом измерителя является широкий динамический диапазон. Это особенно важно для описанного выше применения, поскольку заранее сложно оценить влияние реальной конструкции на эффективность экранирования и, соответственно, уровень остаточного поля внутри экранированного блока.
Предложенный малогабаритный измеритель устанавливается в блоки или шкафы электронной аппаратуры и позволяет достоверно и удобно производит цикл измерений магнитной и/или электрической составляющих переменного электромагнитного поля внутри блоков и шкафов электронной аппаратуры с сохранением полученных значений в собственную энергонезависимую память.
Преимуществами полезной модели является повышение достоверности и удобство измерений, широкий динамический диапазон Современная элементная база позволяет реализовать такое устройство с необходимой чувствительностью и приемлемыми габаритами (меньше спичечного коробка).
Список литературы:
1. Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В. Экранирование технических средств и экранирующие системы. - М.: ООО "группа ИДТ", 2010. - 470 с.
2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. - М.: Издательский дом "Технологии", 2003. - 540 с.
3. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. - М.: издательство "Мир" 1979. - 310 с
4. Михалев П. Микросхемы современных логарифмических усилителей для радиочастотных приложений. Журнал "Компоненты и технологии", 2008, выпуск 10, с.23.