Электроника в вопросах и ответах

В одной из предыдущих статей я предложил (в рамках коллективной внутриотраслевой терапии Проклятия знания) членам электротехнических хабов обменяться техническими вопросами. Сформулировать вопросы по своему узкому профилю и попробовать поотвечать на вопросы коллег.
Не всё из предложенного в той статье оказалось реализуемо, но, в общем, на мой субъективный взгляд, эксперимент оказался весьма любопытным :)

Итак.
Вопросы от разных авторов перемешаны.
Ответы тоже перемешаны и затем отсортированы от наиболее короткого к наиболее длинному.

1. Что означает *idn? ?

   Ответы

   • Не знаю.

   • Без понятия. Что-то на Verilog или VHDL?

   • На днях — была статья на Хабре. Кажется, что первый вопрос относится к шине GPIB (HPIB). ;-)

   • Мм. Предположу (как имеющий некоторое отношение к сетям), что International Domain Names, но это не точно.

   • Это типовая команда SCPI, которая должна вернуть производителя, модель и серийный номер девайса.

   • Значительное число современных измерительных приборов (осциллографы, лабораторные мультиметры, источники тока и так далее) возможно присоединить к компьютеру и с его помощью конфигурировать устройства, задавать им выходные параметры или считывать измеренные значения. Неважно, подключено ли устройство по GPIB, RS-232 или по USB — в большинстве случаев для подобной коммуникации применяется текстовый протокол SCPI. Не каждый прибор реализует всё множество команд этого обширного стандарта, но команда *idn? есть у любого устройства. При передаче этой команды устройство должно выдать наименование производителя, название устройства и его серийный номер. Если у вас есть любое измерительное устройство с выходом RS-232 и переходник USB-RS232, вы можете попробовать соединить это устройство с компьютером, открыть любой терминал UART, отправить *idn? и убедиться в вышесказанном.

2. Измеряются две похожие антенны КСВ-метром на направленном ответвителе. Антенны – вариация на тему граундплейна, конкретнее — укороченный монополь над металлическим корпусом некоего прибора. О чём можно судить, сняв график КСВ? Какая антенна эффективнее?

   Ответы

   • Сложно сказать, я не специалист СВЧ.

   • Без идей, никогда не работал с антеннами.

   • О качестве согласования антенного тракта, видимо. Чем КСВ меньше, тем антенна лучше согласована.

   • График КСВ показывает, насколько качественно она излучает сигнал. Эффективнее та, где на частоте, на которой планируют её использовать, КСВ ближе к 1.

   • Примерно понимаю, о чём идёт речь. Но недостаточно квалифицирован, чтобы учесть влияние направленного ответвителя. Вероятно — речь идёт о том, что одна антенна проверяется как передающая для конкретного передатчика, а другая как приёмная для него же.

   • Примем, что КСВ на интересующих нас частотах не превышает, скажем, 3:1, то есть нагрузка безопасна даже в худшем случае. Частый неправильный ответ. Эффективнее та антенна, у которой ниже КСВ. Чем шире полоса по уровню КСВ, тем лучше. Простой, с рядом оговорок, правильный ответ. Эффективнее та антенна, у которой длиннее излучающий элемент. Более широкая полоса обычно указывает на более высокие потери, то есть на менее эффективную антенну. Объяснение. КСВ – это мера согласования генератора, длинной линии и нагрузки. Это не мера эффективности. При рассогласовании возникают исчислимые и объективно учитываемые потери на отражение, которые, при значимых мощностях, ещё и опасны для генератора тем, что выводят его из расчётного режима работы по напряжению и/или току. С ростом рассогласования растут потери и в длинных линиях, но в нашем примере генератор нагружен непосредственно на антенну, следовательно, у нас имеются только потери на отражение. Но антенна излучает не резонансом – резонанс лишь состояние синфазности напряжения и тока, взаимной компенсации реактивных компонент противоположных знаков, а излучает током, текущем в проводнике антенны. То есть в общем случае знание значения КСВ даёт нам ровно нулевое знание о том, насколько эффективно антенна излучает на частоте замера. Чем длиннее прямой участок проводника, в котором наблюдается максимум тока, тем эффективнее при прочих равных антенна излучает электромагнитную энергию. Свёрнутая в спираль антенна в этом смысле намного хуже из-за того, что электромагнитное поле формируется вокруг спирали и отчасти взаимокомпенсируется, в отличие от прямого или как минимум близкого к прямому отрезку проводника, однако это всё равно лучше, чем ничего, и поэтому, в ряде случаев, является вполне приемлемым компромиссом. То есть, по сути, нас интересует ток в проводнике антенны, а вовсе не его синфазность с напряжением и даже не само напряжение, при котором ток возникает на данном участке цепи. Мы оговорились, что КСВ в нашем примере не превышает 3:1, т.е. потери на отражение незначительны, следовательно, мы не попадаем в те области, когда в худшем случае потери на отражение становятся катастрофическими и тем более опасными для работы генератора. А вот о ширине полосы, наоборот, легко рассуждать, если представить антенну как колебательный контур. Добротность контура довольно очевидно зависит от потерь в нём. У нас есть два вида потерь: потери на излучение, которые полезны для нас, и все остальные, которые для нас вредны, а отношением между ними и даёт КПД антенны. Если две разные антенны имеют в принципе одинаковую конструкцию, то имеющая большую полосу, очевидно, имеет большие потери и меньшую эффективность. Граничный пример – безындукционный резистор, у которого потери на излучение практически нулевые, а все остальные потери практически стопроцентные, соответственно, ширина полосы у него составит от постоянного тока до гигагерц. Если мы сравниваем разные антенны, то из-за конструктивных отличий одна из антенн может иметь более высокое сопротивление излучения и только за счёт этого более высокий КПД при более широкой полосе. Но мы сравниваем приблизительно одинаковые антенны, поэтому вышеприведённая оговорка неприменима.

3. Зачем на сотовых базовых станциях (разумеется, стационарных) установлен GPS-приёмник?

   Ответы

   • Предположу, что для синхронизации часов.

   • Для синхронизации времени.

   • Вероятно, для синхронизации времени.

   • Для синхронизации времени.

   • Не знаю, скорее всего это самый простой способ синхронизации времени.

   • GPS-приёмник необходим для получения сигнала точного времени, служащего для синхронизации сети.

4. Что будет, если на данной схеме заменить резонатор 12МГц на резонатор 10МГц?

   

   Ответы

   • Надо разбирать документацию.

   • Предположу, что у чипа не будет работать USB.

   • Не сможет поддерживать стандартные скорости из ряда 9600, 19200 и т.д.

   • По-видимому, перестанет работать USB часть микросхемы, потому что клоки внутри будут неправильной частоты.

   • Частота понизится, но не до 10 МГц, потому что надо пересчитывать нагрузочные емкости, чтобы все работало корректно.

   • FT2232 - это мост USB-UART. USB2.x работает на частоте 48МГц. Которую удобно получать умножением 12МГц на 4. Соответственно, если поставить любой, отличный от 12МГц резонатор, микросхема FT2232 не будет корректно распознана, как устройство USB.

5. Первые версии систем автоведения электропоездов в качестве источника данных о движении имели исключительно датчик пути и скорости (по сути, обычный энкодер, установленный на колёсную пару). Однако известно, что такой способ не обеспечивает достаточной точности: ошибка в диаметре бандажа колеса даже в миллиметр на большом расстоянии даст погрешность в километры, что для прицельной остановки у платформы недопустимо. Каким образом при отсутствии коррекции по ГНСС или каких-то стационарных путевых устройств удавалось достичь достаточной точности?

   Ответы

   • Не знаю.

   • Вопрос понятен и интересен. Ответа — нет.

   • Не знаю, автокоррекция по известным расстояниям между остановками?

   • Предположу, что на пути существовали какие-то реперные точки с точно измеренными координатами, проезжая мимо которых, срабатывало что-нибудь вроде концевика и накопленная погрешность обнулялась.

   • Принцип основан на поправке самим машинистом: по окончании каждого участка требовалось жмякнуть кнопку, чтобы в координату была внесена поправка. Сами участки сделаны достаточно малой длины, отчего ошибка не успевала накапливаться.

   • Не совсем понятно, что подразумевается под «стационарными устройствами». Рельсы сбоку можно красить? Если можно, то делаем на них контрастные пометки с определённым интервалом (сотни метров, вероятно), благодаря чему постоянно обнуляем накапливающуюся ошибку. Но тут, разумеется, нужен ещё один датчик на тележке типа отражательной оптопары.

6. Зачем делают спиральные антенны, эффективность которых ниже, чем у некоторых других типов антенн?

   Ответы

   • Не знаю.

   • Без идей.

   • Для уменьшения габаритов.

   • Для уменьшения габаритов [да, два идентичных ответа от разных участников].

   • Для круговой поляризации. Но чем она лучше, я не знаю.

   • Потому что они приемлемый в ряде случаев компромисс между уменьшением геометрических размеров, удобства согласования и всё же пусть сниженной, но хоть какой-то эффективности. Неправильно считать, что размеры спирали, длина намотки, это просто свёрнутый четвертьволновый монополь — реальная длина проволоки, использованной для навивки спирали, зависит от диаметра и шага, то есть от добротности полученной индуктивности.

7. Что на картинке? Как реализовать источник напряжения?

   

   Ответы

   • Не знаю.

   • Не знаю.

   • Увы, не очень знаком с аналоговой электроникой (но активно разбираюсь). Неведомо.

   • Вероятно, это источник тока. Но меня мучат сомнения. Как устроен линейный стабилизатор, представляю. Он имеется в виду под источником напряжения?

   • Приведена схема «идеального» диода. Сделать источник напряжения можно, поставив на неинвертирующий вход усилителя источник опорного напряжения, а на инвертирующий — подав выходное напряжение или его часть.

   • На картинке — схема «идеального диода», который в одном направлении запирает прохождение тока, а в другом — пропускает с очень маленьким падением напряжения (в данном случае 15 мВ). Источник на 15 мВ можно организовать или как резистор между Load и Vin- и источник тока между Vin- и землёй, или как дифпару усилителя с транзисторами разного размера.

8. Какую температуру выставлять на жале паяльника и почему монтажники советской закалки так любят 270 градусов?

   Ответы

   • Не знаю.

   • Не знаю, т.к. я не монтажник.

   • Сообразно параметрам припоя. Советские монтажники привыкли работать с определенным свинцовым припоем.

   • 270 градусов, видимо, как-то восходят к ПОС61 или как он там назывался, надёжно превышая температуру его плавления. Для того же припоя и тех же условий пайки — относительно крупные выводные элементы, все те же 270 градусов вполне применимы и сегодня.

   • Температуру надо выставлять, соответствующую плавлению припоя, чтобы он стал полностью жидким, но при этом чтобы не перегреть компоненты и дорожки. 270 градусов — потому что использовался ПОС-61, при такой температуре полностью переходивший в жидкую фазу, а не превращавшийся в кашу.

   • В общем смысле я бы сказал «выставляйте такую температуру, которая с вашим паяльником позволит паять соединение оптимально быстро (единицы секунд) без признаков перегрева (кашеобразный припой, посинение и прочее)». Для многих современных паяльников и паяльных станций разброс комфортных температур пайки лежит в диапазоне 300-380 градусов и очень сильно зависит как от конструкции жала, так и от типа используемого припоя и от паяемого изделия. Чем лучше сделан термоаккумулятор у жала, тем меньше температуру можно выставить при тех же равных. Абсолютной истины, ИМХО, не существует, всегда следует подбирать конкретную температуру под конкретные условия. Как пример, чтобы запаять условным Asahi 6040 CF10 резистор типоразмера 0805 паяльником iTool от Ersa с наконечником 102PDLF04L нужно будет выставить температуру от 330 и выше, в зависимости от топологии. А если используется система JBC с жалом c245-939 (топорик), то то же самое можно и на 300 запаять. С феном такая же история. Чем больше теплоотвод от места пайки, тем выше температуру можно поставить. Как пример, если у вас есть четырёхслойка 5х5 сантиметров с медью везде, то с температурой воздуха меньше чем на 330 (без нижнего подогрева) можно даже не пробовать паять. А вот если вся плата два слоя и размером с рубль, то тут за глаза хватит и температуры в 270 градусов (на 330 вы просто обуглите текстолит). Как только подложим силиконовый коврик под плату, можно будет и температуру поменьше поставить, кстати. Так откуда же взялся священный стереотип про 270 градусов на обычном паяльнике? Я долго пытался найти ГОСТ, ОСТ или ТУ, где это было бы указано прямо. Так и не нашёл. Видимо, для паяльников типа ЭПСН-40 это была реальная температура на жале, но за счёт его размеров и теплоёмкости меди, она действительно позволяла адекватно паять ЭРИ тех времён. А когда началась эра нормальных паяльных станций, многие монтажники по привычке поставили 270, полагая, что стальным многослойным жалом паять надо на той же температуре. Почему при этом у людей не включаются мозги, когда они видят, что на одну точку пайки при такой температуре надо потратить с полминуты для качественной пайки, я не знаю, увы. Надо ли, кстати, отмывать пайку после CF10? ;)

9. Что на картинках? Какая схема лучше и чем?

   

   Ответы

   • Не знаю.

   • Не знаю.

   • Кажется, это дифференциальный усилитель.

   • Судя по всему, какой-то усилитель или компаратор. Предположу, что первая схема лучше из-за наличия резистора обратной связи. Но я не специалист в аналоговой электронике.

   • Т.н. инструментальный усилитель, т.е. с предельно достижимым подавлением синфазной составляющей входного сигнала. Лучше — первая схема. Позволяет удобнее устанавливать коэффициент усиления для дифференциальной составляющей и может дать более стабильное подавление синфазной при равенстве R2 и R3.

   • На картинках — две схемы инструментального усилителя с изменяемым коэффициентом усиления. Левая схема лучше тем, что в ней коэффициент усиления можно удобно корректировать значением резистора Rg, который может быть внешним и не требует точного согласования с другими резисторами в схеме. В правой схеме точное задание коэффициента усиления требует наличия согласованных пар резисторов.

10. Что это за провод и в чём его особенности?

    

    Ответы

    • МГТФ. Особенности — не знаю, я не монтажник.

    • Выглядит как очень тонкий одножильнывй провод. Недостатки – это не дифпара, и хрупкость.

    • Это МГТФ. Тяжело зачищается, не любит влагу (изоляция — фторопластовая лента), но термостойкий, тонкий, многожильный и сравнительно дешёвый, за что любим электронщиками.

    • Картинка не очень, но похоже на МГТФ. Фторопластовая изоляция, класс гибкости, кажется, 7. Многожильный, медный. Он универсальный весьма, но для приборки лучше МК 26-13. Там тот же фторопласт, но разноцветный. Из-за этого кабельные сборки получаются намного более информативными и в них проще искать ошибки или чинить их.

    • Выглядит как монтажный провод во фторопластовой изоляции. Особенность его в том, что фторопластовая изоляция имеет более высокую температуру плавления, чем, скажем, ПВХ — не плавится при нормальных условиях, причём изоляция намотана, то есть его удобно зачищать для пайки без специального инструмента.

    • Это провод МГТФ. Главная его особенность — фторопластовая оболочка, которая не плавится практически при любой разумной температуре паяльника. При этом данный провод многожильный, а значит, весьма гибкий и может быть весьма тонким. Некоторые монтажники предпочитают его одножильным эмалированным проводам (вроде ПЭТВЛ) для соединения мест с маленькими контактными площадками.

11. Очень популярны среди народа микроконтроллеры фирмы STMicroelectonics. У многих мк семейства STM32 есть интерфейсы программирования SWD и JTAG. Допустим, использовать в проекте JTAG не планируется, будет только SWD. Можно ли задействовать подо что угодно свободные выводы МК, изначально предназначенные для JTAG, ведь на них также смультиплексирована другая периферия МК?

    Ответы

    • Не знаю.

    • Скорее всего — можно, но надо смотреть документацию.

    • Не знаю, не работаю плотно с STM32, надо читать даташит.

    • Можно, но надо будет это сконфигурировать при инициализации МК.

    • Я бы сказал, что можно. Раз на эти выводы навесили периферию — почему бы и не использовать.

    • Нет, в общем случае делать это нельзя. В каждом мануале мелким шрифтом есть сноска, в которой написано буквально следующее: 4. After reset, these pins are configured as JTAG/SW debug alternate functions, and the internal pull-up on PA15, PA13, PB4 pins and the internal pull-down on PA14 pin are activated. И эту подтяжку невозможно отключить без того, чтобы она реально при сбросе мк никуда ничего не подтягивала. Можно в стартапе первой же командой выключить подтяжку, но пик от неё всё равно будет. И если у вас дальше подключено что-то, что не должно никаким боком подключаться до полной инициализации системы, то вас может ожидать неприятный сюрприз.

12. Что на картинке? Нарисуйте временную диаграмму работы.

    

    Ответы

    • Не знаю.

    • Кажется, это ячейка памяти на триггерах.

    • То ли какой-то фильтр, то ли какой-то умножитель тактовой частоты. Пытался прикинуть диаграммы, но сломал мозг.

    • Что-то трудно думается «из головы»… задержки, перекрёстные связи. Нужен чит с симулятором. Предполагаю, что это разновидность Т-триггера.

    • Похоже на RS-триггер, соответственно, временная диаграмма будет идентичной. Но реакция на изменение сигнала будет дольше, так как тут много инверторов, а не два элемента 2И-НЕ, как в «традиционной» схеме. Могу предположить, что он может подглючивать из-за того, что элементы неидеальны и один будет переключаться быстрее другого, но это не точно.

    • На картинке — генератор тактового сигнала с неперекрывающимися фазами. Диаграмма рисуется довольно тривиально, если учесть ненулевые задержки вентилей. На выходах получатся два сигнала, которые включаются и выключаются с некоторым dead time относительно друг друга, и их инверсии.

13. Что на картинке? Как это работает? Зачем нужен MOSFET?

    

    Ответы

    • Не знаю.

    • Не знаю.

    • Не имел дела с GaN-транзисторами, не знаю, зачем такое включение.

    • Каскадный силовой ключ. MOSFET позволяет обойтись без источника запирающего (отрицательного) напряжения для GaN JFET. При закрытом нижнем транзисторе — верхний также закрывается (за счёт утечек потенциал истока верхнего транзистора становится выше потенциала затвора). При открытии нижнего — потенциалы затвора и истока верхнего сравниваются в степени, достаточной для полного открытия верхнего.

    • Это GaN-транзистор (использующийся как силовой в новых импульсных БП). В одном корпусе сам элемент из нитрида галлия и MOSFET, который нужен для создания отрицательного напряжения, необходимого для переключения галлиевого. Что за процессы происходят в галлиевом — с ходу не скажу, надо бы поинтересоваться, но это уже выходит за рамки правил.

    • Это типичная структура каскодированного силового JFET-транзистора на GaN. Кремниевый MOSFET там нужен потому, что у обычных GaN JFET порог ниже нуля (транзистор открыт, если на затворе и истоке одинаковое напряжение). MOSFET при закрытии повышает напряжение на истоке JFET до уровня, когда тот закрывается. Соответственно, пара из относительно низковольтного MOSFET и не закрывающегося нормально JFET работает вместе как отличный силовой прибор.

14. Эквивалентны ли (отличаются ли ВАХ) показанные двухполюсники? Почему?

    

    Ответы

    • Предположу, что нет, так как помимо тока между базой и эмиттером добавится ток между коллектором и эмиттером.

    • Q1 — диод "база-эмиттер" с падением напряжения на P-N переходе. Q2 — транзистор, входящий в насыщение.

    • Разница есть, транзистор с соединением база-коллектор ближе в поведению идеального диода, чем просто базовый pn-переход.

    • Нет, не эквивалентны. Через Q2 потечёт ток, обусловленный внутренним сопротивлением V1 и сопротивлением Q2. Будет ли через Q1 протекать ток «утечки» база-эмиттер, не знаю. Наверняка будет.

    • У левого двухполюсника ток течёт в эмиттер из базы. Такой ток открывает биполярный транзистор, но толку от этого открытия нет, так как к коллектору ничего не подключено. У правого двухполюсника ток течёт в эмиттер и из базы (открывая транзистор) и из коллектора. Таким образом, в любой точке ВАХ сопротивление правого двухполюсника будет меньше, чем у левого. А кривая ВАХ, соответственно, у правого двухполюсника будет уходить вверх круче.

    • Не эквивалентны. При изменении приложенного напряжения ВАХ Q2 идёт круче, через него течёт больший ток при том же напряжении. Потому что электрическое поле примесных атомов в коллекторном переходе продолжает экстрагировать неосновные носители (электроны в транзисторе структуры n-p-n) из базы в коллектор в случаях, когда напряжение коллектор-база стремится к нулю и даже становится [слабо] открывающим (глубокое насыщение n-p-n транзистора).

15. Какой стандарт описывает протокол UART?

По правилам точное авторство вопросов и ответов не раскрывается. Но в целом авторами вопросов стали уважаемые:

@VT100
@amartology
@Karlson_rwa
@MaFrance351
@Astroscope
@Flammmable

Сердечно благодарю всех за участие!

Некоторое количество вопросов не вошло в общий список. Но если сообщество благосклонно воспримет данный формат, то они будут опубликованы в числе прочих в следующий раз.

Ну и призываю всех заинтересовавшихся данным форматом присоединяться, вне зависимости от специализации и регалий. Пишите в личные сообщения на Хабре, либо на почты flammable@yandex.ru или flammmable.habr@gmail.com.