В статье подробно рассматривается процесс разработки адаптера со схемой фильтра для подключения к интерфейсу RS-485. Адаптер позволяет быстро проверить влияние фильтра на тестируемую систему. Этот фильтр ослабляет сигналы с частотами, не соответствующими стандарту передачи, а также обеспечивает защиту от перенапряжений в линиях передачи сигналов.
Роберт Хартунг (Robert Hartung), Würth Elektronik
Введение
В результате постоянно растущего числа приложений, основанных на сетевой коммуникации с помощью линий передачи сигналов, все более важным становится обеспечение безотказной работы, а также безопасности электрических систем и устройств. За счет фильтрации излучаемых помех непосредственно на интерфейсе предотвращается проникновение в систему электростатических разрядов (ESD) и всплесков напряжения в быстрых переходных процессах, которые негативно влияют на рабочие характеристики. Для проверки электромагнитной совместимости (ЭМС) электрических систем в аккредитованных испытательных лабораториях проводятся специальные тесты. Если они не пройдены, заявка пересматривается.
Чтобы упростить этот процесс, был разработан адаптер, позволяющий проверить влияние фильтра на тестируемую систему. После прохождения испытаний со вставленным фильтром схема допускается к реализации в системе.
В этой статье описывается проектирование такой фильтрующей вставки в соответствии с требованиями стандарта передачи сигналов RS-485. Поскольку для приложений RS485 разъем не определен, были выбраны 9-контактные разъемы D-SUB. Их назначение определено протоколом PROFIBUS и указано в таблице 1, благодаря чему обеспечиваются потребности самого широкого ряда приложений.
Прежде чем приступить к выбору компонентов для фильтра, следует определить ожидаемый эффект. Выбранный интерфейс RS-485 требует высокого уровня защиты от синфазных помех во всем диапазоне частот. Кроме того, все сигналы с частотами, не соответствующими стандарту передачи, должны быть ослаблены. Необходимо также обеспечить защиту от перенапряжений в линиях передачи сигналов. Стационарное напряжение в линии электропитания не должно содержать помех.
Выбор компонентов
Сначала выбираются и устанавливаются размеры компонентов, необходимые для обеспечения требуемой фильтрации. С этой целью выполняются расчеты с помощью передаточных функций и моделирование. Такой полезный онлайн-инструмент как REDEXPERT от Würth Elektronik позволяет сравнить характеристические данные и реальные измеренные значения отдельных компонентов друг с другом и выбрать из них наиболее подходящий. Заметим, что к фильтрам для линии передачи сигналов и линии питающего напряжения предъявляются разные требования.
Схема фильтра для линий передачи сигналов
Сначала выбирается синфазный дроссель: определяется частота, на которой линия может работать как антенна и, следовательно, вызывать синфазные помехи. Предельной частотой является та, на которой длина линии равна четверти длины волны λ. При превышении этой длины линия больше не может считаться короткозамкнутым контуром без потерь, поскольку паразитными эффектами уже нельзя пренебречь. В рассматриваемом случае учитывается максимально возможная длина кабеля для приложений RS-485, которая составляет 1,2 км. Уравнение (1) позволяет получить значение 4,8 км для длины волны λ. Частоту среза fλ/4 в первом приближении можно найти с помощью уравнения (2) с учетом скорости света в вакууме, которая может варьироваться в зависимости от используемой линии передачи.
Поскольку эта частота растет с уменьшением длины кабеля, необходимо, чтобы затухание синфазного дросселя происходило уже на 62,5 кГц и росло на более высоких частотах. Таким образом, был выбран компонент WE-SL2 744222, который показан на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид компонентов WE SL2 744222
На рисунке 2 иллюстрируются вносимые потери компонента в синфазном режиме. Видно, что компонент уже имеет большое затухание примерно на уровне 16,5 дБ на частоте fλ/4 = 62,5 кГц.
Рис. 2. Вносимые потери WE-SL2 744222 в синфазном режиме
Затем выбираются ограничители электростатического разряда для защиты от перенапряжения. Важным параметром в данном случае является величина приложенного напряжения. Поскольку необходимо защитить линии передачи сигналов, выбирается ограничитель электростатического разряда (ЭСР) с номинальным напряжением 5 В. В каталоге Würth Elektronik имеются подавители электростатического разряда WE-VE 823 570 505 60, специально предназначенные для приложений RS-485.
Другой существенной частью схемы фильтра является емкость величиной 56 пФ, которая вносит свой вклад в общую емкость схемы. Можно считать, мы подготовили фильтр к работе с синфазными помехами и перенапряжением. Однако необходимо также предусмотреть защиту от помех в дифференциальном режиме.
Наконец, следует подобрать конденсаторы для защиты линии передачи сигналов. Поскольку все другие компоненты уже выбраны, общую емкость, которая обеспечит требуемое затухание от помех в дифференциальном режиме, можно рассчитать с помощью передаточной функции. С этой целью мы рассмотрим общую эквивалентную схему для дифференциального режима. Она состоит из согласующих резисторов в начале и конце линии, индуктивности и емкости (см. рис. 3).
Рис. 3. Схема всей системы
Из этой схемы выводится следующее уравнение (3) для передаточной функции.
где XL1 – реактивное сопротивление катушки индуктивности L1, а XC1 – реактивное сопротивление конденсатора C1. Согласно стандарту RS-485, максимальная скорость передачи составляет 12 Мбит/с. Поскольку при передаче в RS-485 используется кодирование NRZ (без возврата к нулю), частота передачи fMAX рассчитывается следующим образом (4):
Поскольку все сигналы до этой частоты должны передаваться беспрепятственно, для обеспечения определенного запаса указывается заданное ослабление –3 дБ на частоте среза fcut-off = 15 МГц. В силу того, что схема построена как делитель напряжения, в это значение требуется включить базовое затухание –6 дБ. Общее затухание составляет –9 дБ, что, в свою очередь, соответствует суммарному коэффициенту передачи по напряжению около 0,35. Эта величина представляет собой ранее неизвестное комплексное число (Ua/Ue = Z). По условиям согласования для приложений RS-485 значения сопротивлений R1 и R2 должны составлять по 120 Ом. В качестве величины индуктивности L дифференциального режима используется значение индуктивности рассеяния дросселя LS = 90 нГн из технического описания, т.к. индуктивность синфазного режима компенсируется противоположно направленными токами. Используя значения частоты среза и индуктивности рассеяния, из уравнения (5) получаем значение реактивного сопротивления XL индуктивности:
Последним неизвестным параметром в передаточной функции является реактивное сопротивление емкости XC1. Преобразуя уравнение (3), получаем следующее выражение (6) для X C1:
Поскольку реактивное сопротивление конденсатора не содержит действительной части, его можно положить равным нулю. В этом случае формулу необходимо разделить на действительную и мнимую части. Используя выражение (7) и преобразовав уравнение (6), получаем уравнение (8):
Поскольку уравнение (8) может быть комплексно сопряжено, в знаменателе нет мнимой части, а комплексное число остается в числителе. Действительная часть этого комплексного числа полагается равной нулю и преобразуется в один из параметров a или b. Действительная часть этого комплексного числа равна нулю. С помощью этого уравнения и уравнения (9) мы получаем два уравнения для двух неизвестных переменных. В результате решается система уравнений:
Следующие значения являются результатами расчета с помощью MatLab Simulink:
— действительная часть: a ≈ 0,23;
— мнимая часть: b ≈ –0,27;
— комплексное число: Z ≈ 0,23 – j0,27.
Мнимая часть входит в формулу (10) для XC1:
Получаем следующее значение импеданса конденсатора:
XC1 = –j58,49 Ом.
Подставляя значения XC1 и fcut-off в уравнение (11) для полной емкости системы, получаем:
Чтобы требуемое ослабление составило –3 дБ на частоте 15 МГц, общая емкость фильтра должна составить 181,38 пФ. Первый вклад в эту емкость вносят подавители электростатических разрядов емкостью по 56 пФ каждый. Поскольку они параллельны схеме и заземлены, работает только половина емкости одного компонента, как следует из выражения (12):
В результате два подавителя электростатических разрядов влияют на схему как общая емкость величиной 28 пФ.
По такому же принципу рассчитываются значения емкости двух конденсаторов схемы. Они используются для отвода высокочастотных помех. В сочетании с синфазным дросселем эта схема обеспечивает очень хорошую защиту от синфазных помех в широком диапазоне частот. Для достижения требуемого эффекта достаточно небольшой емкости. Были выбраны два конденсатора емкостью 100 пФ. Их влияние рассчитывается так же, как и для подавителей ЭСР. Таким образом, суммарная емкость двух конденсаторов цепи составляет 50 пФ.
В дополнение к синфазному дросселю и двум подключенным к земле конденсаторам между линиями передачи сигналов A и B устанавливается конденсатор для противодействия симметричным помехам. Поскольку емкость схемы уже достигла 78 пФ из-за подавителей ЭСР и двух других конденсаторов, мы выбрали 100 пФ для этого компонента. Путем подбора компонентов достигается общая емкость 178 пФ, что всего на 3,38 пФ отличается от расчетной общей емкости. Отклонение неизбежно из-за фиксированных значений емкости конденсаторов, имеющихся в ассортименте продукции, и при таком выборе оно было минимальным. Поскольку схема должна быть небольшой, используются только многослойные керамические конденсаторы. На этом выбор компонентов схемы фильтра завершен. На рисунке 4 показан окончательный вид схемы фильтра для линий передачи сигналов A и B.
Чтобы проверить, достигается ли с помощью выбранных компонентов требуемый результат, схему на рисунке 4 можно смоделировать с помощью LTspice. Стандарт VDE EN 55017 определяет, что испытуемая схема в дифференциальном режиме должна моделироваться с помощью изоляторов с соотношением обмоток 1:1, поскольку при симуляции учитываются только два порта. Помимо выбранных фильтрующих элементов в начале и в конце схемы устанавливаются последовательные резисторы, чтобы учесть влияние согласованных по импедансу микрополосковых линий на печатной плате. Линии передачи сигналов вставного фильтра были рассчитаны с дифференциальным импедансом 120 Ом (по 60 Ом на микрополосковую линию), чтобы избежать отражений на концах шины RS-485, выходное сопротивление которых составляет 120 Ом. На рисунке 5 показана соответствующая стандарту симметричная схема для тестирования характеристик затухания сигналов в дифференциальном режиме.
Рис. 5. Испытательная схема в дифференциальном режиме
На рисунке 6 представлен результат моделирования нагрузки дифференциальными токами в том виде, в каком они возникают при нормальной работе. Отображается затухание всей цепи; на оси Y указан уровень затухания в дБ, а ось X показывает соответствующий частотный диапазон 10 кГц…1 ГГц. Измерение осуществляется на выходе схемы.
Рис. 6. Моделирование затухания в дифференциальном режиме (SDD21) линии передачи сигналов
Базовое затухание –6 дБ возникает, как упоминалось, из-за того, что смоделированная схема создана как делитель напряжения. Видно, что сигнал не затухает в диапазоне линии передачи RS-485 (<6 МГц). Точка маркера на уровне около 15 МГц соответствует ослаблению –9,18 дБ. Таким образом, проектирование с помощью REDEXPERT и расчет с использованием передаточной функции почти точно обеспечивают требуемый результат. Отклонение в –0,18 дБ можно объяснить небольшой разницей между используемой и рассчитанной общей емкостью и тем фактом, что при симуляции применялись модели реальных компонентов, а в расчете – идеальные значения.
Для моделирования нагрузок в синфазном режиме стандарт VDE EN 55017 требует, чтобы цепь фильтра была установлена между генератором сигнала и приемником, а входные и выходные проводники соединялись параллельно. Из-за использования параллельной цепи в схему были добавлены последовательные сопротивления по 30 Ом для имитации 60-Ом микрополосковой линии. Это значение сопротивления получено из выражения (13):
Соответствующая стандарту асимметричная испытательная схема сигнала в синфазном режиме была смоделирована с помощью схемы на рисунке 7.
Рис. 7. Схема для моделирования нагрузки в синфазном режиме
На рисунке 8 показан результат моделирования. Базовое затухание составляет –6 дБ. Видно, что оно начинает расти уже с 10 кГц. На расчетной частоте fλ/4 = 62,5 кГц затухание составляет примерно –23,82 дБ. Как видно из рисунка 2, затухание одного только дросселя составило –16,5 дБ на этой частоте. Остальные 7,32 дБ обусловлены дополнительными конденсаторами. Схема обеспечивает заметное ослабление помех в синфазном режиме во всем диапазоне частот.
Рис. 8. Моделирование нагрузки в синфазном режиме (SCC21) линии передачи сигналов
В целом, моделирование показало хороший результат не только с точки зрения того, как были подавлены нежелательные сигналы дифференциального режима, но и все синфазные помехи.
Фильтр для линии питающего напряжения
В соответствии со стандартом передачи RS-485, на линию питающего напряжения должно подаваться гармоническое постоянное напряжение 5 В с током 200 мА. Чтобы выполнить это условие, все частотные составляющие должны быть отфильтрованы. Это значит, что необходим фильтр нижних частот. Из-за того, что затухание увеличивается за декаду частоты с каждым полюсом фильтра, для фильтрации был выбран фильтр нижних частот 3-го порядка. Таким образом, затухание составляет 60 дБ на декаду частоты. ФНЧ, как показано на рисунке 9, состоит из двух конденсаторов и катушки индуктивности.
Рис. 9. Фильтр нижних частот 3-го порядка
Из-за π-образного вида схемы ее называют Pi-фильтром. Для выбора подходящих компонентов, отвечающих требованиям фильтра, используется онлайн-инструмент REDEXPERT.
Сначала выбирается соответствующая требованиям катушка индуктивности. Заметим, что по линии питающего напряжения протекает ток 200 мА. Катушка индуктивности, рассчитанная на меньшие токи, будет сильно нагреваться. Во избежание этого для печатной платы выбран феррит с номинальным током IR = 500 мА. Это значит, что он нагревается всего на 40 К при токе 500 мА. Кроме того, индуктивность должна противодействовать токам и напряжениям с определенным импедансом по частотным составляющим. На рисунке 10 показана кривая импеданса выбранного феррита, который увеличивается с ростом частоты.
Рис. 10. Характеристика импеданса WE-TMSB 74269241152
Кроме того, REDEXPERT отображает кривые импеданса при разных токах. Мы выбрали ток 200 мА с учетом особенностей рассматриваемого приложения.
Конденсаторы для этого фильтра выбираются так, чтобы диапазон затухания был как можно большим и крутым, а все токи и напряжения с частотными составляющими отводились на землю. Для обеспечения компактного размера в линиях передачи сигналов используются многослойные керамические конденсаторы. Мы выбрали конденсаторы WE-CSGP 885 012 105 006 емкостью 1 мкФ.
Эти компоненты изготовлены из керамики X5R, что обеспечивает высокую емкость. Однако из-за своей внутренней структуры материал также очень зависит от напряжения. В результате смещения постоянного тока рост приложенного напряжения приводит к падению емкости. Как именно этот эффект влияет на выбранные конденсаторы, можно посмотреть в REDEXPERT. На рисунке 11 показана зависимость изменения емкости конденсатора WE-CSGP 885 012 105 006 от напряжения.
Рис. 11. Изменение емкости в зависимости от постоянного напряжения смещения
Из рисунка видно, что при напряжении 5 В емкость конденсаторов уменьшилась примерно на 42% от исходного значения.
Из-за зависимости феррита от тока и зависимости конденсаторов от напряжения требуется проверить схему в условиях эксплуатации. На рисунке 12 показана схема выбранного фильтра, моделируемая в LTspice.
Рис. 12. Схема Pi-фильтра в LTspice
Компоненты Würth Elektronik eiSos можно представить в виде моделей в LTspice, чтобы симуляция дала максимальную точность. Мы использовали источник переменного напряжения с амплитудой 1 В. На рисунке 13 показан результат симуляции этой схемы.
Рис. 13. Моделирование Pi-фильтра
Поскольку моделируемая схема представлена как делитель напряжения, базовое затухание составляет –6 дБ. Маркеры показывают, что, как и ожидалось, ослабление на декаду частоты составляет 60 дБ. Во всем диапазоне частот наблюдается хорошее затухание. Однако подозрительно выглядит высокое максимальное значение затухания –158 дБ. Сомнительно, что такое большое затухание достигается с помощью реальных компонентов. Кроме того, предел технических возможностей большинства анализаторов цепей составляет –100 дБ.
Мы выбрали все необходимые фильтрующие элементы. Поскольку моделирование показало хорошие результаты, их можно использовать для построения схем. Однако симуляция не проверила такие факторы как влияние материалов и потери в линии. Следовательно, необходимы дополнительные измерения, чтобы понять, соответствует ли схема требованиям высокой безопасности при помехах и переходных процессах в реальных условиях эксплуатации.
Проектирование печатной платы
Во избежание отражений импеданс микрополосковых дорожек на печатной плате фильтра должен быть таким же, что и у приложения; в данном случае он составляет 120 Ом. В дифференциальной линии передачи сигнала импедансы суммируются. Следовательно, каждая линия должна быть рассчитана на импеданс 60 Ом. Чтобы обеспечить определенное значение импеданса линии, необходимо согласовать друг с другом параметры, показанные на рисунке 14 с базовой структурой печатной платы.
Рис. 14. Внешний вид печатной платы
Изменяя параметры, показанные на рисунке 14, можно подобрать требуемый импеданс печатной платы. Параметр W представляет собой ширину проводника, параметр T – его высоту, H – толщину материала подложки между проводником и заземляющей плоскостью из огнестойкого непроводящего композитного материала, изготовленного из эпоксидной смолы и стеклоткани, который наиболее часто используется в печатных платах благодаря хорошей адгезии, водо- и дугостойкости.
С помощью калькулятора можно рассчитать импеданс печатной платы, введя упомянутые параметры. Высота медного конца в стандартной комплектации составляет 35 мкм при минимальной стоимости. Ширину проводника можно выбирать произвольно. Чем шире проводник, тем меньше импеданс. Поскольку небольшой размер компонентов и разъемов ограничивает ширину дорожек и необходимо обеспечить импеданс величиной 60 Ом, подбирается расстояние до заземляющей плоскости (параметр T). Чтобы расстояние было небольшим, используется четырехслойная печатная плата, у которой второй слой выступает в качестве заземления. Таблица 2 описывает стандартную структуру четырехслойной печатной платы, у которой высота медного слоя равна 35 мкм. Заметим, что медный слой толщиной 18 мкм, указанный в этой таблице, в готовой плате покрыт слоем толщиной до 35 мкм.
Таблица 2. Структура четырехслойной печатной платы
Из таблицы 2 видно, что расстояние между первым и вторым слоями составляет 0,288 мм. Исходя из этого значения, высоты торца меди 35 мкм и диэлектрической проницаемости материала стеклотекстолита равной 4, можно подобрать ширину проводника с импедансом 60 Ом. В таблице 3 приведены параметры печатной платы с учетом импеданса 60 Ом.
Таблица 3. Параметры печатной платы
В общем случае требуется, чтобы фильтр был как можно более компактным. Все компоненты устанавливаются на верхнюю сторону платы. Только разъемы должны быть припаяны с нижней стороны из-за особенностей конструкции теплоотвода. Во избежание отражений необходимо, чтобы проводники не проходили под прямым углом друг к другу. Закругленные тракты и углы в 45° улучшают прохождение сигнала. Кроме того, компоненты следует размещать непосредственно на проводниках, чтобы сократить их длину.
На рисунке 15 показана завершенная схема платы. На линиях передачи сигнала подавители электростатических разрядов расположены рядом с входным разъемом, чтобы максимально быстро отводить импульсы электростатического разряда.
Рис. 15. Завершенная конструкция фильтра
Все остальные компоненты устанавливаются друг за другом через короткие интервалы. Однако их не следует размещать слишком близко друг к другу во избежание нежелательной емкостной связи. Обе линии передачи сигналов должны иметь одинаковую длину для передачи симметричных сигналов. Сквозные переходные отверстия с гальваническим покрытием используются для заземления. Они размещаются рядом с контактными площадками, образуя токопроводящее соединение с нижней стороной платы, которое является заземлением.
В линии питающего напряжения два контакта под номером 6 соединены напрямую. Компоненты устанавливаются непосредственно на линии по описанному выше принципу. Наличие доступного пространства под конденсаторами позволяет установить несколько переходных отверстий, чтобы сопротивление соединения с заземлением было как можно меньше. Контакты 5 и поверхность корпуса заземлены. Черные края обозначают пространство, отведенное под выступающий разъем D-SUB.
Измерение S-параметров
Сначала измеряются характеристики линий передачи сигналов A и B для дифференциального и синфазного режимов. Цель измерения – установить, что фильтр, не увеличивая ослабление сигналов, позволяет передавать их в диапазоне частот до 6 МГц в соответствии со стандартами RS-485 в дифференциальном режиме и отфильтровывает нежелательные сигналы с более высокими частотами. Синфазные сигналы должны подавляться без исключения во всем частотном диапазоне. Согласно расчетам и результатам моделирования, сигнал с частотой до 6 МГц должен проходить практически без затухания. Выше по частоте начинается затухание, достигающее величины –3 дБ на частоте 15 МГц. На рисунке 16 показан результат измерения S-параметра смешанного режима SDD21.
Рис. 16. Характеристики линий передачи с двухтактными сигналами
Значение затухания –0,63 дБ, помеченное точкой 2 на частоте 6 МГц, указывает на то, что на максимально возможной частоте передачи около 93% сигнала передается без затухания. Как правило, для успешной передачи затухание должно быть ниже, чем на частоте среза по уровню –3 дБ. В точке 3 на частоте 15 МГц величина затухания равна –2,59 дБ, что соответствует коэффициенту передачи 74,2%. По мере роста частоты затухание постоянно увеличивается до значения ниже –80 дБ за исключением некоторых резонансных значений.
Анализируется не только затухание при двухтактной передаче, но и характеристика с учетом синфазных сигналов. С этой целью исследуется параметр SCC21 смешанного режима, показанный на рисунке 17.
Рис. 17. Характеристики линий передачи с синфазными сигналами
Видно, что сигнал ослабляется, начиная с нижнего значения представленного диапазона частот. Затухание на расчетной частоте среза fλ/4 в точке 1 составляет около –21,8 дБ. Начиная с 50 кГц, затухание всегда меньше –20 дБ, что соответствует коэффициенту передачи менее 10%. Свойства линии питающего напряжения определяются с помощью двухпортового измерения. Параметр S21 описывает вносимые потери фильтра. Поскольку используется Pi-фильтр (ФНЧ 3-го порядка), следует ожидать, что во всем частотном диапазоне обеспечено сильное затухание. На рисунке 18 показан результат измерения линии питающего напряжения.
Рис. 18. Характеристики передачи напряжения питания по кабелю
Как видно из этого рисунка, затухание в начале диапазона частот составляет около –10 дБ. В точке 1, где частота составляет 62,5 кГц, затухание равно –19,82 дБ. Оно достигает максимального значения –95 дБ вблизи 2 МГц.
Анализ и выводы
Сначала анализируется поведение линии передачи в дифференциальном режиме. На рисунке 19 показаны смоделированные и измеренные S-параметры смешанного режима SDD21 линий передачи сигналов A и B. Красной линией показан результат моделирования, черной – результат измерений.
Базовое затухание –6 дБ исключено на рисунке 19 в силу того, что схема рассматривалась в LTspice как делитель напряжения, чтобы в лучшей мере сравнить результаты моделирования и измерения.
Рис. 19. Сравнение значений SDD21 линий передачи A и B
Видно, что затухание на обоих графиках начинается примерно в один и тот же момент. Мы успешно избежали ослабления сигналов до 6 МГц. Таким образом, все сигналы, соответствующие стандарту RS-485, могут передаваться без помех. Видно, что результат моделирования практически идентичен результату измерения. Единственные заметные различия – резонансы и минимальные отклонения значений затухания. Добротность Q компонентов определяет высоту резонансных пиков. Чем выше добротность, тем больше амплитуда резонансов из-за меньших потерь, вызванных реактивным сопротивлением. Резонансы измеренного графика значительно меньше из-за паразитных эффектов, которые не учитываются при моделировании и имеют отрицательное влияние на качество системы.
Небольшие отклонения значений затухания можно объяснить допусками компонентов. Поскольку два графика почти идентичны, на практике схема фильтра выполняет поставленное условие, благодаря чему сигналы, соответствующие требованиям RS-485, проходят без затухания. Сигналы на более высоких частотах ослабляются во избежание помех при передаче. Далее моделируемая и измеренная характеристики синфазных сигналов сравниваются по выше рассмотренному принципу. На рисунке 20 показана смоделированная и измеренная кривые параметра SCC11 линий передачи сигналов A и B в смешанном режиме. Цветовое разделение то же, что и на рисунке 20.
Рис. 20. Сравнение значений SCC21 линий передачи A и B
Из рисунка видно, что кривые на обоих графиках также очень похожи приблизительно до 300 МГц. Точки резонанса расположены примерно в одних и тех же местах, но по-разному выражены. Как уже упоминалось, это различие можно объяснить влиянием на добротность системы. Кроме того, используемые модели LTspice являются лишь упрощенными копиями реальных компонентов и могут отклоняться от реальных значений. Отклонения значений затухания и резонансов в рабочем диапазоне синфазного дросселя можно объяснить допусками на индуктивность компонента.
На частотах выше 300 МГц возникают резонансы из-за связи паразитных емкостей печатной платы и компонентов. В целом, измерение подтверждает, что схема обеспечивает достаточно большое затухание во всем соответствующем частотном диапазоне по сравнению с синфазными сигналами. На расчетной частоте fλ/4 = 62,5 кГц также наблюдается ослабление –21,8 дБ. Однако то, что это значение не «дотягивает» до ожидаемого –23,8 дБ, можно объяснить допусками на величину индуктивности синфазного дросселя. Уже начиная с частоты 50 кГц, затухание становится ниже –20 дБ. Сравнение показывает, что схема фильтра на практике очень близка к моделируемой и демонстрирует хороший уровень затухания по сравнению с синфазными помехами. Желаемый результат достигается и в случае синфазных, и в случае дифференциальных сигналов. Следовательно, она годится для фильтрации линий передачи сигналов стандарта RS-485. Таким же образом сравниваются результаты моделирования и измерения линии питающего напряжения. На рисунке 21 показаны оба графика вносимых потерь S21.
Рис. 21. Сравнение значений S21 линии питающего напряжения
И в этом случае для лучшего сравнения было исключено базовое затухание –6 дБ имитационной модели. Видно, что оба графика поначалу практически одинаковы. Между их значениями имеется разница лишь в несколько дБ. Четкое отличие заметно на частоте 2 МГц. Смоделированная кривая уменьшается до значения около –150 дБ, а максимальное значение измеренного затухания составляет –95 дБ. Затухание в диапазоне –95…–150 дБ очень велико, т.е. очень малые напряжения, измеренные анализатором цепей, находятся в диапазоне собственных шумов этого прибора; в этом диапазоне анализатор достигает своих технических пределов. Высокое затухание фильтра более 85 дБ в частотном диапазоне более 1 МГц означает, с одной стороны, хорошую развязку между входом и выходом фильтра. С другой стороны, заметна даже малейшая паразитная емкостная связь проводников, соединений между компонентами (лицевых сторон контактных площадок) и соединений разъемов, что приводит к очень сильной связи элементов фильтра и к резонансам.
Несмотря на отличия от результатов моделирования, результаты измерения свидетельствуют о хорошей характеристике фильтра, поскольку обеспечено достаточно высокое затухание во всем частотном диапазоне. Таким образом, все напряжения переменного тока отфильтровываются из напряжения питания, и передается только одно напряжение постоянного тока. Как упоминалось, приложенное напряжение постоянного тока снижает емкость конденсаторов. Ток, протекающий через фильтр, уменьшает индуктивность и изменяет резонансную частоту дросселя. Этот эффект можно измерить. На рисунке 22 сравниваются результаты измерения с приложенным постоянным напряжением (со смещением постоянного тока) и без него.
Рис. 22. Сравнение данных измерений со смещением по постоянному току и без него
Черная кривая описывает результаты измерения без смещения постоянного тока, а красная – измерение со смещением постоянного тока 5 В при 200 мА. Видно, что первый резонанс смещается в сторону большей частоты. Это связано с тем, что резонансная частота SMD-феррита растет с увеличением тока, а индуктивность уменьшается. Уменьшение емкости двух конденсаторов из-за приложенного напряжения 5 В несколько уменьшает затухание фильтра, которое все еще очень велико, несмотря на влияние смещения постоянного тока. Таким образом, измерение показывает, что даже в реальных условиях эксплуатации затухание при смещении соответствует требованиям в заданном диапазоне частот. Поскольку измерения линии питающего напряжения также показали удовлетворительные результаты, было подтверждено, что разработанная схема фильтра надежно ослабляет нежелательные сигналы, помехи и влияние электростатического разряда, не влияя на стандарты передачи RS-485. Итак, все изначально поставленные цели были успешно достигнуты. Чтобы оптимизировать ЭМС приложения, можно проверить, насколько эта схема отвечает желаемым результатам, подключив ее к системе. В случае успешного функционирования схему можно реализовать в приложении.
На рисунке 23 представлена принципиальная схема фильтра и его внешний вид, а в таблице 4 – список материалов.
Рис. 23. Полная принципиальная схема и внешний вид фильтра
Таблица 4. Список использованных материалов
