Сигнальная линия или кирпич

SamsPcbGuide, часть 4: Трассировка сигнальных линий. Минимизация индуктивности

Мир, трассировка печатной платы, май. Потому что трассировка печатной платы — это труд. И эта статья открывает целый блок, цель которого дать правильные инструменты для этой задачи. В ней обосновывается важность контроля траектории возвратного тока и минимизации индуктивности контура тока критических сигнальных линий, а также даются рекомендации по их оптимальной трассировке.

Как уже говорилось в предыдущих статьях цикла, в процессе разработки печатной платы должны учитываться возможности доступной технологии её производства. При этом под «доступностью» здесь следует понимать «доступность в заданных временных, финансовых и организационных рамках». Технологические ограничения особенно важны на этапе трассировки печатной платы. Поэтому перед началом трассировки рекомендуется изучить технологические нормы предполагаемого завода-изготовителя и создать в используемой САПР набор правил, выполнение которых будет автоматически контролироваться при трассировке печатной платы. Сразу оговорим, что хотя современные САПР и предлагают средства автоматической трассировки печатной платы, они в данной статье рассмотрены не будут и в общем случае к использованию не рекомендуются. Только для относительно простого проекта с хорошим размещением компонентов и продуманным набором правил эти средства позволяют получить качественную топологию.

Не забываем про возвратный ток

Трассировка печатной платы – процесс, при котором разработчик задаёт пути протекания токов в слоях металлизации печатной платы. В электрических цепях токи текут по замкнутым траекториям – контурам – от положительного полюса источника напряжения к отрицательному. Поэтому необходимо понимать, что прямому току, текущему от источника напряжения к нагрузке, всегда соответствует возвратный ток, текущий от нагрузки обратно к источнику. Эта пара токов образует замкнутый контур, контроль параметров которого, особенно в случае высокочастотных сигналов, является основной задачей разработчика. Большое количество ошибок и проблем с ЭМС и ЭМИ печатных плат связано именно с тем, что разработчик не анализирует траектории и взаимное влияние возвратных токов. На рис. 1 представлен типовой контур протекания тока сигнальной линии, а цветным прямоугольником выделен участок этого контура, которому обычно уделяется большая часть внимания разработчика, тогда как оставшаяся часть контура иногда остаётся предоставленной сама себе. На рисунке также отражён тот факт, что интегральные микросхемы не являются источниками электрической энергии. Они выполняют функцию сложных ключевых элементов, тогда как источниками энергии служат батареи, конденсаторы подсистемы питания, а также внешние относительно печатной платы источники.

Когда траектория возвратного тока не задана разработчиком, она определяется топологией платы (прежде всего общего провода) и законами физики (как, впрочем, и всегда) – возникает распределение плотности тока по траекториям в обратной зависимости от их импеданса. В общем случае это распределение аналитически не выражается, однако для простых случаев решения существуют. Во второй статье цикла приводилась рекомендация располагать сигнальные слои вблизи сплошного слоя земли или питания. В такой конфигурации распределение возвратного тока в опорном слое для низкочастотного сигнала близко к равномерному (рис. 2А), так как при расширении области протекания тока импеданс, определяемый резистивной составляющей, падает. С повышением частоты определяющим становится влияние реактивной составляющей и минимальной индуктивностью обладает траектория, проходящая под сигнальной дорожкой, так как площадь петли при этом минимальна (рис. 2Б, см. первую статью). Аналитическую оценку плотности распределения возвратного тока тонкой (ширина w ≤ h) микрополосковой линии даёт следующая формула (x – расстояние от геометрического центра линии, h — высота над опорным слоем):

Такое распределение обеспечивает минимальное значение индуктивности, то есть для всех частот, для которых омическое сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с реактивным, оно будет описываться данной формулой. Анализ распределения показывает, что в полосе ±h сосредоточено 50% тока, а в полосе ±3h – 80% тока.

Важно понимать, что реальные сигналы состоят из набора частот, имеющих некоторое спектральное распределение, при этом они чаще всего имеют шумовую часть, спектр которой может значительно отличаться от спектра самого сигнала. Например, в «низкочастотной» линии питания могут возникать значительные высокочастотные импульсные помехи при переключении цифровых микросхем. Таким образом, для низкочастотных составляющих сигнала возвратный ток распределён равномерно в широкой области вдоль кратчайшего пути, а для высокочастотных (f≳100 кГц) – сосредоточен в узкой области в максимальной близости от прямого тока.

Избегаем вырезов в опорном слое

Любое отклонение в распределении тока от оптимального приводит к увеличению индуктивности контура тока. Отклонение возникает в случае наличия вырезов (англ. split, slot, gap) в опорном слое, причиной которых могут стать сквозные механические и переходные отверстия, ряд переходных отверстий или выводов разъёма, сигнальная дорожка в опорном слое (рис. 3). Говард Джонсон в [2, раздел 5.3] приводит оценку индуктивности, вносимой узким разрывом длиной D:

где w – ширина дорожки, влияние ширины самого разрыва мало. Для сигнальной дорожки шириной w = 0,2 мм при разрыве длиной D = 1 см увеличение индуктивности составит ∆L1 ≈ 8 нГн. Для сравнения, если бы сигнальная дорожка была проведена вокруг разрыва, то её длина увеличилась бы в среднем на D, что в свою очередь при высоте дорожки над опорным слоем h = 0,25 мм привело бы к вдвое меньшему увеличению индуктивности:

Минимизируем индуктивность

Паразитная индуктивность есть у каждого элемента печатной платы – дорожки, переходного отверстия, сплошных слоёв, у паяных соединений, выводов микросхем, микропроволочной разварки. Почему важно минимизировать паразитную индуктивность критических (агрессивные источники высокочастотных помех и чувствительные слаботочные аналоговые цепи) линий? Достаточно вспомнить несколько формул, в которые индуктивность входит как параметр: формулу, связывающую поток магнитного поля и силу тока в проводнике

формулу, связывающую ЭДС индукции при изменении тока в проводнике

формулы частоты резонанса

и добротности LC-контура

Критически важно выполнять разводку высокочастотных сигнальных линий, минимизируя индуктивность контура, что достигается за счёт:

• минимизации длины печатной дорожки,
• исключения переходов между сигнальными слоями,
• близкого расположения дорожки к опорному слою,
• отсутствия разрывов в опорном слое на пути возвратного тока.

В случае отсутствия возможности устранить протяжённый разрыв в опорном слое под сигнальной линией, рекомендуется в максимальной близости с сигнальной линией расположить хотя бы один керамический конденсатор (англ. stitching capacitor), обеспечивающий путь возвратного тока через разрез. Однако с ростом частоты паразитная индуктивность конденсатора и его соединений с опорным слоем эффективность решения падает.

Оптимизируем переходы между слоями

Отдельного рассмотрения требует важный вопрос перехода дорожки между сигнальными слоями, потому что не всегда возможно исключить перекрестия для всех критических сигналов. На рис. 4 показываются пути прямых и возвратных токов для различных вариантов перехода между слоями. На рисунке условно показано влияние скин-эффекта: возвратные токи текут в поверхностном слое проводника. По увеличению количества красных стрелок можно судить об увеличении общей индуктивности пути, к которой прибавляется индуктивность переходных отверстий, а в случае различающихся опорных слоёв и индуктивность паяных соединений и последовательная индуктивность конденсатора (англ. equivalent series inductance, ESL). Кроме того, в случае опорных слоёв разного потенциала высокочастотная часть возвратного тока течёт в виде токов смещения (красные пунктирные стрелки). Помимо проблем с целостностью сигнала это приводит к возникновению шумов в данной цепи питания и повышению уровня ЭМИ [3].

250 МГц, и только после 2 ГГц распределённая ёмкость печатной платы обеспечивала достаточно низкий импеданс перехода между опорными слоями, чтобы уровень ЭМИ отличался мало. Эксперимент показывает важность исключения переходов между сигнальными слоями для высокочастотных линий.

В случаях, когда избежать перехода невозможно, рекомендуются следующие варианты в порядке приоритета:

• между двумя слоями, примыкающими к одному и тому же опорному слою (рис. 4Б),
• между двумя слоями, примыкающими к опорным слоям одного потенциала (питание/земля), при этом в максимальной близости от места смены слоя (рис. 4В) и, желательно, вдоль сигнальной линии опорные слои соединены переходными отверстиями,
• между двумя слоями, примыкающими к соседним опорным слоям разного потенциала, при этом в максимальной близости от места смены слоя опорные слои соединены как минимум двумя керамическими конденсаторами с низкой индуктивностью соединения (рис. 4Г),
• между двумя слоями, примыкающими к разнесённым опорным слоям разного потенциала, при этом в максимальной близости от места смены слоя опорные слои соединены керамическими конденсаторами с низкой индуктивностью соединения – не рекомендуется для критических сигналов с фронтами порядка 1 нс.

Смена между более, чем двумя слоями для критических сигналов не рекомендуется. Предпочитаемый опорный слой в первых двух вариантах – слой земли. Если опорным слоем является слой питания, то необходимо обеспечить низкий импеданс подсистемы питания в полосе спектра сигнала. Заметим, что чаще всего около микросхем расположено достаточно большое количество керамических конденсаторов, поэтому смена слоя сигнальной дорожкой вблизи от приёмника/передатчика наиболее оптимальна и в лучшем случае не потребует размещения дополнительных компонентов.

В сложных печатных платах множество сигнальных линий и выполнить указанные в данной статье рекомендации для всех сигналов не представляется возможным, особенно учитывая высокие требования к габаритам конечных изделий. Именно поэтому необходимо выделить группу критических высокочастотных и чувствительных сигналов и начать трассировку именно с них. При этом расположение компонентов, связанных с этой группой, должно обеспечивать возможность оптимальной разводки критических сигналов. Задача минимизации индуктивности контура тока – это лишь один из аспектов трассировки сигнальных линий, в следующих статьях цикла будут рассмотрены техники разводки и схемы согласования, снижающие отражения и перекрёстные помехи в линиях.

Литература

[1] Holloway C.L., Kuester E.F. «Closed-Form Expressions for the Current Density on the Ground Plane of a Microstrip Line, with Applications to Ground Plane Loss». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 43, no. 5, May 1995.
[2] Johnson H. «High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic», Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B., etc. «EMI Resulting from Signal Via Transitions through the DC Power Bus», IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2000.
[4] Ott, H.W. «Electromagnetic Compatibility Engineering», Wiley, 2009.

Статья была впервые опубликована в журнале «Компоненты и технологии» 2018, №2. Публикация на «Geektimes» согласована с редакцией журнала.

Сигналы автоблокировки [ править | править код ]

Полуавтоматическая блокировка [ править | править код ]

• Зелёный огонь — Перегон до следующей станции (путевого поста) свободен.
• Красный огонь — «Стой!». Запрещающий сигнал.

Полуавтоматическая блокировка (ПАБ) — система интервального регулирования движения поездов, применяемая на малодеятельных участках железных дорог (на одно- и двухпутных перегонах).

Полуавтоматическая блокировка не применяется на метрополитене.

Трёхзначная АБ [ править | править код ]

• Зелёный огонь — свободны два и более блок-участка.
• Жёлтый огонь — свободен один блок-участок.
• Красный огонь — «Стой!». Запрещающий сигнал. Следующий блок-участок занят.

Четырёхзначная АБ [ править | править код ]

• Зелёный огонь — свободны три или более блок-участка.
• Жёлтый и зелёный огонь — свободны два блок-участка.
• Жёлтый огонь — свободен один блок-участок.
• Красный огонь — «Стой!». Запрещающий сигнал.

Полуавтоматическая блокировка

Полуавтоматическая блокировка (ПАБ) — система интервального регулирования движения поездов, применяемая на малодеятельных участках железных дорог (на одно- и двухпутных перегонах).

Полуавтоматическая блокировка не применяется на метрополитене.

Трёхзначная АБ

• Зелёный огонь — свободны два и более блок-участка.
• Жёлтый огонь — свободен один блок-участок.
• Красный огонь — «Стой!». Запрещающий сигнал. Следующий блок-участок занят.

Четырёхзначная АБ

• Зелёный огонь — свободны три или более блок-участка.
• Жёлтый и зелёный огонь — свободны два блок-участка.
• Жёлтый огонь — свободен один блок-участок.
• Красный огонь — «Стой!». Запрещающий сигнал.

Маркировка опасных зон. Нанесение сигнальной разметки

Цели нанесения сигнальной разметки. Правила применения маркировки опасных зон. Знаки безопасности. Напольная разметка. Требования правил к нанесению напольной разметки. Разметка опасных зон оборудования. Применение противоскользящих и противоусталостных материалов.

Одним из самых важных технических мероприятий в области обеспечения охраны труда является нанесение разметки сигнализирующей о наличии опасности и установка знаков безопасности.

Таким образом, решаются следующие задачи:

• Обеспечивается привлечение внимания работника к опасному фактору;
• Происходит информирование работника о необходимости или запрете, какого-либо действия;
• Разделяются потоки движения и предотвращаются наезды транспорта на работников.

Как мы уже говорили ранее одной из причин несчастных случаев на производстве, является привыкание работника к постоянно присутствующей рядом опасности. С помощью маркировки опасных зон мы можем визуализировать опасность и привлечь внимание работников.

Некоторые компании сами устанавливают правила применения маркировки опасных зон в соответствии с установленными у них локальными правилами.

Было

Стало

Для единообразия и однозначного восприятия значения маркировки используют ГОСТ 12.4.026-2015 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические требования и характеристики».

Желто-черная полоса используется для обозначения постоянной опасной зоны (края проемов, выступающие части зданий, итд)

Красно-белая полоса используется для ограждения временных опасных зон (зона возможного падения предметов при проведении работ на высоте, зоны производства аварийных работ итд)

Смысловое значение, область применения сигнальных цветов и соответствующие им контрастные цвета:

Сигнальный цвет

Смысловое значение

Область применения

Контрастный цвет

Запрещение опасного поведения или действия

Обозначение непосредственной опасности

Аварийная или опасная ситуация

Сообщение об аварийном отключении или аварийном состоянии оборудования (технологического процесса)

Пожарная техника, средства противопожарной защиты, их элементы

Обозначение и определение мест нахождения пожарной техники, средств противопожарной защиты, их элементов

Обозначение возможной опасности, опасной ситуации

Предупреждение, предостережение о возможной опасности

Безопасность, безопасные условия

Сообщение о нормальной работе оборудования, нормальном состоянии технологического процесса

Обозначение пути эвакуации, аптечек, кабинетов, средств по оказанию первой медицинской помощи

Предписание во избежание опасности

Требование обязательных действий в целях обеспечения безопасности

Разрешение определенных действий

Знаки безопасности

Самый простой способ моделирования поведения работников – установка знаков безопасности.

Знаки безопасности бывают:

• Запрещающие – красный перечеркнутый круг на белом фоне;
• Предупреждающие – желтый треугольник с черной рамкой;
• Предписывающие – синий круг;
• Эвакуационные – зеленый квадрат;
• Медицинского и санитарного назначения – зеленый квадрат;
• Указательные – синий квадрат;
• Знаки пожарной безопасности – красный квадрат;

Напольная разметка

Давайте сразу рассмотрим пример. Возьмем склад, где используется штабельная (бесстилажная) система хранения. Самыми распространенными нарушениями на таком складе будут:

• Несоблюдение ширины прохода;
• Несоблюдение ширины разрывов между штабелями;
• Заставленный эвакуационный выход.

Практически всего этого можно было бы избежать, если заранее обозначить границы площадок для складирования. Что собственно и требуется в соответствии с правилами по охране труда ПОТ РО-14000-007-98 «Положение. Охрана труда при складировании материалов»:

3.47. Границы площадок складирования в цехе должны быть обозначены хорошо видимыми линиями разметки, выполненными белой несмываемой краской.

3.48. Между стеллажами, стеллажами и оборудованием или стеной здания должны быть разрывы не менее 1 м.

3.131. Курение и пользование открытым огнем в складских помещениях и на территории складов запрещено. В помещениях и на территории складов на видных местах должны быть вывешены плакаты с надписью: «Курить воспрещается» и соответствующие знаки безопасности по ГОСТ 12.4.026.
Для курения должны быть отведены и обустроены специальные места, обозначенные соответствующим знаком по ГОСТ 12.4.026 и оборудованные средствами пожаротушения (ящиком с песком, бочкой с водой).

6.34. Тара для хранения лакокрасочных материалов (грунтов, красок, эмалей, шпатлевок, растворителей, разбавителей и др.) должна иметь плотно закрывающиеся крышки и наклейки или бирки с наименованием и обозначением содержащихся в ней материалов, а для материалов, имеющих в составе свинец и другие опасные вещества, — также сведения о их наличии.

Использование цветовой маркировки помимо предупреждения травматизма позволяет определить зоны для различных процессов. (Готовая продукция, брак, зона разгрузки и др.)

На производственных участках, где пересекаются потоки движения персонала и внутризаводского транспорта сигнальная разметка просто необходима.

Подобные требования содержатся в правилах и для других отраслей:

Приказ Минтруда России от 17.08.2015 N 552н «Об утверждении Правил по охране труда при работе с инструментом и приспособлениями»:

20. Проходы и проезды внутри производственных помещений должны иметь ясно обозначенные габариты, отмеченные на полу разметкой при помощи краски, металлических утопленных шашек либо иных четко различимых указателей.

Приказ Министерства труда и социальной защиты РФ от 17 августа 2015 г. N 551н «Об утверждении Правил по охране труда при эксплуатации тепловых энергоустановок»:

72. Перед началом монтажных работ на монтажной площадке должны устанавливаться места проезда и прохода, а также определяться границы опасных зон с обозначением их защитными ограждениями, предупредительными знаками и надписями.

Приказ Министерства труда и социальной защиты РФ от 1 июня 2015 г. N 336н «Об утверждении Правил по охране труда в строительстве»:

12. На границах зон с постоянным присутствием опасных производственных факторов должны быть установлены защитные ограждения, а зон с возможным воздействием опасных производственных факторов — сигнальные ограждения и знаки безопасности.

89. Обрабатываемые движущиеся строительные материалы, выступающие за габариты оборудования, должны быть ограждены и иметь надежные устойчивые поддерживающие приспособления.

91. Ограждения и защитные устройства должны окрашиваться в цвета безопасности.

355. Вблизи здания в местах подъема груза и выполнения кровельных работ должны быть обозначены границы опасных зон.

Приказ Министерства труда и социальной защиты РФ от 7 июля 2015 г. № 439н «Об утверждении Правил по охране труда в жилищно-коммунальном хозяйстве»:

37. Расстояние между технологическим оборудованием должно быть достаточным для свободного прохода работников, занятых их обслуживанием и ремонтом, для безопасного проезда и стоянки внутрицехового транспорта.

Ширина проходов зависит от расположения оборудования, способа транспортировки, типа и размеров деталей и изделий, но должна быть не менее 1 м.

Проходы вокруг технологического оборудования должны соответствовать требованиям технической документации организации — изготовителя оборудования.

Для перевозки грузов автотранспортом ширина проездов должна быть не менее 3,5 м.

Запрещается загромождение проходов и проездов или использование их для размещения грузов.

Границы проходов и проездов должны иметь ограждения или специальную разметку на полу линиями шириной не менее 50 мм, выполненными несмываемой краской белого или желтого цвета либо иным способом, обеспечивающим их сохранность в течение производственного процесса.

Разметка оборудования

К сожалению, не редки случаи травмирования работников движущимися частями машин и оборудования.

Система зрительной цветовой информации, сигнализирующей об опасности, помогает работнику ориентироваться в большом количестве действующих технологических процессах.

Противоскользящие покрытия

Там, где возрастает риск падения (на лестницах, пандусах, в помещениях, где на полу может оказаться вода или масло) имеет смысл использовать противоскользящие наклейки или коврики.

Противоусталостные покрытия и коврики

Там, где по технологическому процессу работники вынуждены в течение долгого времени оставаться в положении стоя, используют противоусталостные покрытия. Они не только предотвращают падения, но и за счет воздушной прослойки, заставляют ноги стоящего совершать микродвижения, которые обеспечивают циркуляцию крови в конечностях, что снижает усталость при длительном нахождении на ногах.

Как создавать сигналы на Форекс?

На самом деле, выражение «создание сигналов» довольно фигуральное. Почему? Потому что сигналы создает не трейдер или индикатор, а рынок. А Ваша задача, как трейдера, сформировать свой личный комплекс сигналов, которым вы будете доверять и неукоснительно следовать. Таким образом вы создадите свою собственную торговую систему.

Главным рецептом в создании стратегии на основании сигналов от технических индикаторов является не просто компоновка множества сигналов, а их согласованность между собой и с природной динамикой рынка.

Чаще всего внешний вид рабочего стола торговой платформы новичка, пытающегося создать систему сигналов для торговли, выглядит следующим образом:

«Красиво», правда? Возможно, да, но не эффективно. Чем больше индикаторов, тем больше ложных сигналов, а соответственно ненужных и убыточных сделок.

Оптимальное количество вспомогательных индикаторов – 3. Всё гениальное – просто! Стремитесь всё оптимизировать и не загромождать свое рабочее пространство. Всем успехов в торговле!

Дмитрий Гурковский

Возглавлял лабораторию технического и фундаментального анализа финансовых рынков в НИИ Прикладного системного анализа. В настоящее время руководит Аналитическим отделом компании RoboForex и ведёт раздел ежедневных обзоров по уровням Фибоначчи для клиентов компании.

ОБОЗНАЧЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ КАБЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ТАБЛИЧЕК

Замерные столбики должны быть установлены на загородных участках трассы и в сельских населенных пунктах при прокладке кабелей связи с металлическими жилами и оптических в следующих местах трассы:

1. против каждой муфты;
2. на поворотах трассы;
3. на пересечениях автомобильных и железных дорог, водных препятствий, газопроводов, силовых и кабелей связи, водопровода, канализации и других подземных коммуникаций;
4. на прямых участках трассы через промежуток от 250 до 300 м друг от друга.

Столбики устанавливают на расстоянии 0,1 м от осевой линии трассы, со стороны поля. При прокладке нескольких кабелей столбик устанавливают против середины перекрытия концов строительных длин кабеля. На стыках строительных длин в процессе прокладки кабеля могут устанавливаться временные деревянные замерные столбики с временными надписями. В процессе монтажа эти-столбики должны быть заменены на железобетонные с постоянной нумерацией.

Назначение и правила применения сигнальной разметки

7.2.1 Красно-белую и желто-черную сигнальную разметку следует применять в целях обозначения:

• опасности столкновения с препятствиями, опасности поскользнуться и упасть;
• опасности оказаться в зоне возможного падения груза, предметов, обрушения конструкции, ее элементов и т.п.;
• опасности оказаться в зоне химического, бактериологического, радиационного или иного загрязнения территории (участков);
• контрольно-пропускных пунктов опасных производств и других мест, вход на которые запрещен для посторонних лиц;
• мест ведения пожароопасных, аварийных, аварийно-спасательных, ремонтных, строительных и других специальных работ;
• строительных и архитектурных элементов (колонн, углов, выступов и т.п.), узлов и элементов оборудования, машин, механизмов, арматуры, выступающих в рабочую зону или пространство, где могут находиться люди;
• границ полосы движения (например, переходы для работающих в зоне ведения строительных работ, при движении транспортных средств в зоне ведения дорожных работ);
• площадей, конструкций, зон в соответствии с 5.1;
• узлов и элементов оборудования, машин, механизмов в соответствии с 5.1;
• границ мест проведения спортивных соревнований (велотреков, автомобильных, лыжных трасс и т.п.) или зрелищных мероприятий.

7.2.2 Если препятствия и места опасности существуют постоянно, то они должны быть обозначены сигнальной разметкой с чередующимися желто-черными полосами, если препятствия и места опасности носят временный характер, например при дорожных, строительных и аварийно-спасательных работах, то опасность должна быть обозначена сигнальной разметкой с чередующимися красно-белыми полосами.

7.2.3 Запрещается применение сигнальной разметки с чередующимися красно-белыми полосами на пути эвакуации.

7.2.4 Обозначать и ограждать опасные зоны с радиационными и условно радиационными загрязнениями следует в соответствии с требованиями настоящего стандарта и ГОСТ 17925.

7.2.5 Зелено-белую сигнальную разметку следует применять для обозначения границ полосы безопасного движения и указания направления движения по пути эвакуации (например, направляющие линии в виде «елочки», рисунок 11б).