COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ Spectru împrăştiat Ogruţan Petre, nov. 2011

Introducere Sinusoida este descrisă de ecuaţia: Forma sinusoidală este des întâlnită în diverse domenii ale cunoaşterii umane, de exemplu în matematică, fizică, muzică, inginerie electrică etc., ca urmare a faptului că această formă este comună în natură. Variaţii sinusoidale au lumina, sunetul, mişcarea valurilor, undele electromagnetice etc. Chiar şi variaţia temperaturii într-o zi are aproximativ o variaţie sinusoidală. În evoluţia firească a societăţii omeneşti un pas important a fost apariţia teoriei calculatoarelor digitale care a fost iniţiată prin lucrările lui Alan Touring (1936) care a definit structura calculatorului digital şi a algoritmului de execuţie a unui program de pe o bandă perforată şi a lui John Von Neumann care a conceput structura unui calculator pe bază de magistrale. Transmisia digitală a dus la apariţia şi răspândirea semnalelor cu variaţie dreptunghiulară, o formă diferită faţă de cea sinusoidală. În 1822 Joseph Fourier a descoperit că matematic, orice formă periodică poate fi descompusă în componente sinusoidale, numite armonici. Aceste armonici care pot fi reprezentate în domeniul frecvenţă sub forma unor linii numite linii spectrale încep de la o frecvenţă egală cu frecvenţa semnalului descompus (frecvenţa fundamentală) şi se continuă până la o anumită frecvenţă. Domeniul în care există aceste componente spectrale se numeşte domeniu de frecvenţă al semnalului sau spectrul de frecvenţă.

Spectru împrăştiat Un semnal dreptunghiular cu frecvenţă fixă are un spectru care conţine o armonică importantă. Prin variaţia frecvenţei acestui semnal apar mai multe armonici, cu amplitudini mai mici. Acest lucru este important pentru scăderea EMI.

Simularea MATLAB Semnalul dreptunghiular nemodulat are forma în timp şi spectrul de frecvenţe date în figura:

Simularea MATLAB Forma semnalului modulator este cea triunghiulară. Se generează un semnal triunghiular cu funcţia SAWTOOTH. Cu funcţia SQUARE se generează un semnal dreptunghiular şi se realizează modularea acestui semnal. Se calculează spectrul de frecvenţe cu funcţia FFT şi se reprezintă grafic, figura:

Simularea MATLAB O altă variantă de modulare este realizată cu un semnal modulator cu frecvenţa variabilă. Funcţia care generează un astfel de semnal este funcţia CHIRP, figura: Se observă că şi modularea cu frecvenţă variabilă (variaţia maximă 10% din frecvenţă) are ca efect micşorarea spectrului, mai ales a armonicilor de ordin superior.

Simularea MATLAB Este interesant de remarcat ce se întâmplă la extrem, adică la modularea frecvenţei cu un semnal aleator, în condiţiile în care variaţia aleatoare nu este un procent oarecare (sub 10%) din frecvenţă. Acest caz în care frecvenţa variază aleator nu poate fi folosit în practică pentru că semnalul dreptunghiular îşi pierde funcţionalitatea. Pentru generarea numerelor aleatoare se foloseşte funcţia RANDOM, în care parametrul EXP specifică distribuţia folosită. Se poate observa că în acest caz spectrul este cel mai redus, armonicile superioare fiind foarte mici.

Modularea tactului la microcontrollere Consumul mic de energie şi generarea unui spectru redus de perturbaţii sunt legate de generarea şi folosirea tactului. Pentru teste a fost aleasa familia de microcontrollere Fujitsu pentru ca unele familii sunt dedicate aplicatiilor auto si au astfel implementat modulatorul de tact. Modulaţia tactului are rolul de a reduce interferenţele electromagnetice (EMI) prin împrăştierea spectrului semnalului de tact. Metoda este implementată la MC pe 32 de biţi şi la cele pe 16 biţi. Modulaţia se aplică tactului generat de bucla PLL, astfel încât unele interfeţe care generează intervale de timp precise (timer de bază, Watchdog sau CAN ) nu pot avea ca tact tactul modulat. Frecvenţa dată de tactul PLL este F0 iar spectrul are un vârf corespunzător acestei frecvenţe. Modularea tactului înseamnă variaţia frecvenţei /fazei între 2 limite, ceea ce micşorează vârful spectrului. Tactul de la bucla PLL poate fi modulat în 2 feluri: o       modulaţie în fază, semnalul modulator fiind un semnal triunghiular o       modulaţie în frecvenţă, semnalul modulator fiind un semnal pseudo aleator.

Modularea tactului la microcontrollere Modulatorul poate fi validat sau invalidat cu un registru de comandă, se poate alege tipul de modulaţie şi se pot programa limitele de variaţie ale frecvenţei sau fazei. În general comportarea cea mai bună din punct de vedere EMI se obţine la variaţia maximă a frecvenţei /fazei tactului, dar aceasta nu este o regulă şi în cele mai multe cazuri este nevoie de încercări experimentale. La modelul MB90350 pe 16 biti tactul de la bucla PLL este modulat cu un semnal triunghiular. Comanda modulatorului se realizează cu registrul CMCR (Clock Modulator Control Register) care validează modularea. Lăţimea impulsului de tact modulat variază cu +/- 0,8ns, ceea ce înseamnă la frecvenţa maximă a tactului PLL de 24MHz o frecvenţă maximă a tactului maşină modulat de 25,45MHz. Interfeţele care nu au tact PLL (Timerul de bază, Watchdog Timer) nu pot avea ca tact tactul modulat. De asemenea când se utilizează interfaţa CAN nu se poate folosi tactul modulat. La microcontrollerele pe 32 de biti semnalul de tact generat de PLL este modulat cu un semnal pseudoaleator. La tactul modulat se poate modifica gradul de modulare şi rezoluţia de variaţie a frecvenţei între Fmin şi Fmax. Se pot programa 3 grade de rezoluţie. Modulatorul poate lucra cu tact între 16MHz şi 48MHz, de aceea circuitul de modulare trebuie calibrat. Calibrarea poate fi lansată hardware sau software. Semnalul de tact poate fi observat în exterior la pinul MONCLK.

Date de catalog În figura de mai jos sunt date spectrele generate în gama de frecvenţe 150kHz-500MHz furnizate de Fujitsu în catalog pentru procesoarele de 32 de biţi. Se observă că prin modularea tactului se obţine un spectru cu armonici superioare de amplitudini mai mici. Există o bună corespondenţă între datele de catalog şi cele simulate.

Măsurarea spectrului generat prin modularea tactului Sistemul de testare prezentat în figura 6 a fost format dintr-un sistem de dezvoltare cu microcontroller Fujitsu MB91360 şi un analizor spectral. Programarea microcontrollerului a permis alegerea a trei frecvenţe de tact (16MHz, 32MHz and 48MHz) şi activarea modulaţiei tactului.

Rezultate experimentale- tact 16MHz nemodulat (a), 16MHz modulat (b), 32MHz nemodulat (c), 32MHz modulat

Rezultate experimentale- spectru 16MHz nemodulat, 16MHz modulat

Rezultate experimentale- spectru 48MHz modulat, 48MHz nemodulat

Rezultate experimentale- spectru 32MHz nemodulat, 32MHz modulat

Concluzii Numărul echipamentelor electronice se măreşte continuu şi se caută permanent metode de a micşora interferenţa electromagnetică dintre acestea. Una dintre metodele care incepe să se aplice din ce în ce mai mult în ultimii ani este modulaţia tactului. Modulaţia tactului se aplică atât la procesoare cât şi la microcontrollere, şi începe să se aplice şi la circuitele specializate pentru transferul datelor cu un dispozitiv periferic [3], [4], [5]. Tendinţa actuală este de a se implementa modularea tactului în cât mai multe aplicaţii dar şi găsirea de noi metode de modulare [6]. Domeniul auto este unul dintre domeniile în care modularea tactului se impune ca o necesitate, standardele de emisii de radiaţii electromagnetice fiind restrictive. Constructorii de microcontrollere pentru domeniul auto implementează în noile familii modularea tactului..        3.      Hengstler, S.; Kasilingam, D.P.; Costa, A.H, 2002.; A novel chirp modulation spread spectrum technique for multiple access, Spread Spectrum Techniques and Applications, 2002 IEEE Seventh International Symposium on, Volume 1,  Page(s):73 - 77 vol.1 4.      Wei-Ta Chen; Jen-Chien Hsu; Hong-Wen Lune; Chau-chin Su, 2005; A spread spectrum clock generator for SATA-II, Circuits and Systems, ISCAS 2005. IEEE International Symposium on, 23-26 May 2005 Page(s):2643 - 2646 Vol. 3 5.      Jaehong Ko; Seungjung Lee; Doyoon Kim; Kijoon Kim; Kye-Eon Chang; 2007, Spread spectrum clock generator for reducing Electro-Magnetic Interference (EMI) noise in LCD driver IC, Circuits and Systems, MWSCAS 2007. 50th Midwest Symposium on 5-8 Aug. 2007 Page(s):1106 - 1109 6.      Jonghoon Kim; Joungho Kim; Piljung Jun, 2002; Dithered timing spread spectrum clock generation for reduction of electromagnetic radiated emission from high-speed digital system, Electromagnetic Compatibility, EMC 2002. IEEE International Symposium on, Volume 1,  19-23 Aug. 2002 Page(s):413 - 418 vol.1

Exemplu: Oscilator cu spectru împrăştiat Spread-Spectrum Clock Output from 130kHz to 66.6MHz -40°C to +125°C Operating Temperature Range ±1.75% Accuracy Across Temperature and Voltage Factory Trimmed Center-Dithered (DS1091LUA) or Down-Dithered (DS1091LUB) Spread-Spectrum Output Pin-Selectable Center-Dither Magnitude of 0%, ±1%, ±2%, or ±4% Pin-Selectable Down-Dither Magnitude of 0%, -2%, -4%, or -8% Pin-Selectable Dither Rate 3.0V to 3.6V Supply Operation