ВЧ кабельные сборки (соединители), в том числе и по спецзаказу

В качестве испытуемого образца будет выступать случайно оказавшаяся под рукой, всеми любимая Arduino UNO R3. Забегая вперед скажу, что все измерения были проведены на расстоянии около 1-2 мм от поверхности элементов. В качестве двух основных точек измерения были выбраны непосредственно сам микроконтроллер MEGA328 (точка 1) и преобразователь USB-UART CH340G (точка 2). Да-да, это китайский клон, посмотрим как он ведет себя с точки зрения электромагнитных помех и излучаемого спектра.

Вначале пара теоретических моментов, которые помогут нам лучше понять полученные результаты.

Во-первых, необходимо понимать, что такое гармоники частоты. Это по сути произведения основной частоты на целые числа. Так если контроллер нашей Ардуины работает на тактовой частоте 16 МГц (теоретически), то гармоники будут 32 МГц, 48 МГц и т.д. вплоть до, например, 15-ой гармоники равной 240 МГц. В теории с увеличением номера гармоники интенсивность ее излучения будет падать. Кроме того на нашей Ардуине еще используется тактовая частота 12 МГц (преобразователь USB-UART CH340G), для которой гармоники будут соответственно 24 МГц, 36 МГц, 48 МГц и т.д.

Во-вторых, в теории электромагнитной совместимости принято выражать результаты измерения в величинах вида дБмкВ или дБмкВт (часто просто сокращают дБм). Подобные величины следует понимать как отношение измеряемой величины к единице соответствующей размерности. Т.е. если в обычном децибеле находится отношение одного произвольного значения к другому, то в данном случае это отношение строго к 1.

Так как во всех дальнейших измерениях значения представлены в дБмкВ, то для облегчения понимания приведу краткий список соотношений

1. 0 дБмкВ = 20log(1 мкВ / 1 мкВ) = 1 мкВ
2. 6 дБмкВ = 20log(2 мкВ / 1 мкВ) = 2 мкВ
3. 9,5 дБмкВ = 20log(3 мкВ / 1 мкВ) = 3 мкВ
4. 14 дБмкВ = 20log(5 мкВ / 1 мкВ) = 5 мкВ
5. 20 дБмкВ = 20log(10 мкВ / 1 мкВ) = 10 мкВ
6. 40 дБмкВ = 20log(100 мкВ / 1 мкВ) = 100 мкВ

Теперь к практике. Для начала измеряем уровень излучения над MEGA328. И сразу видим, что тактовая частота не 16 МГц, а 15,87 МГц. Отклонение составляет 130 кГц и находится в пределах около 1%, что, как мне кажется, для китайского клона просто шикарно. Величина излучения 36,53 дБмкВ или 67 мкВ.

Установим границы обзора спектра 10-50 МГц и посмотрим на гармоники рабочей частоты микроконтроллера. Маркером 1 обозначена основная частота, а маркерами 2 и 3 соответственно вторая гармоника (39,70 дБмкВ = 96,6 мкВ) и третья гармоника (21,41 дБмкВ = 11,76 мкВ). Любопытно, что вторая гармоника получается более мощной, чем основная частота. Также в спектре видно множество небольших пиков и на других частотах, их мы рассмотрим позже.

До этого момента Ардуина работала от внешнего блока питания и выполняла ранее залитый в нее скетч. Теперь подключим ее к ПК при помощи USB-кабеля. После этого мы отчетливо видим, что в излучаемом спектре появляются вторая, третья и четвертая гармоники частоты 12 МГц (маркеры 2, 3 и 4 соответственно). При этом сама основная частота 12 МГц (маркер 1) на микроконтроллере отсутствует.

Теперь на некоторое время обратим внимание на вторую область измерения, а именно на USB-UART преобразователь CH340G. Первый спектр соответствует отключенному USB-кабелю, а второй подключенному. Хорошо видно, что во втором случае в спектре излучения добавляется основная частота 12 МГц и ее вторая 24 МГц, третья 36 МГц и четвертая 48 МГц гармоники.

USB отключен

Вначале я подумал, что при отключенном USB-кабеле CH340G автоматически выключается и поэтому 12 МГц отсутствует в спектре. Однако уже при дальнейшем внимательном рассмотрении я заметил пик на частоте 12,66 МГц, который присутствует всегда и сделал вывод, что это и есть тактовая частота для CH340G с погрешностью в 5,5% (точное значение частоты этого пика будет хорошо видно дальше).

USB включен

Снова отключим USB-кабель, вернемся к основному чипу MEGA328 и попробуем оценить излучаемый им спектр в диапазоне частот 10 МГц – 50 МГц. Три следующих скрина дают представления об уровнях излучения на основных присутствующих частотах. Здесь можно видеть уже упомянутую нами ранее основную частоту 15,87 МГц и ее гармоники, а также массу других. Я надеюсь, что в комментариях мы совместно обсудим откуда могла взяться каждая из частот.



Ну и в конце еще два скрина, дающие представление о том, как казалась бы безобидная Arduino с рабочей частотой 16 МГц, при определенных обстоятельствах может «фонить» на частотах до 400 МГц. На первом скрине представлен частотный диапазон 0.1 МГц – 200 МГц и расположенные в нем первые 12 гармоник основной рабочей частоты. Как видим излучаемый спектр с небольшим ослаблением легко достигает 190,29 МГц.

На втором скрине представлен частотный диапазон 0.1 МГц – 500 МГц. Здесь пик на частоте 286,71 МГц соответствует 18 гармонике основной рабочей частоты (маркер 1), а пик на частоте 428,35 соответствует 27 гармонике основной рабочей частоты (маркер 4).

Интересно было бы увидеть подобные замеры для оригинальной Arduino. Возможно ее меньшие паразитные излучения могли бы стать дополнительным аргументом в холиваре «оригинал vs китайский клон».