Дифференциал зачем нужен


Самоблокирующийся дифференциал — как это работает — журнал За рулем

Изучаем конструкцию основных типов самоблокирующихся дифференциалов. Какой самоблок (если он, конечно, не установлен на заводе) подойдет для вашего автомобиля?

Создание универсального механизма, идеально работающего в любых условиях, - голубая мечта каждого конструктора. Однако выверенное на бумаге решение на практике обязательно обрастает своими «но». Иногда случаются парадоксы: достоинство и главное предназначение узла в определенных условиях становятся его недостатками. Характерный пример — свободный дифференциал.

Ахиллесова пята

Для простоты понимания проблемы свободных дифференциалов, используемых на большинстве автомобилей, рассмотрим пример с их межколесными представителями — поскольку межосевые собратья на полноприводных машинах работают аналогично.

Межколесный дифференциал обеспечивает разность частот вращения ведущих колес в повороте. Это важно для борьбы с так называемым паразитным крутящим моментом и для сохранения управляемости автомобиля. Ведь в повороте внешнее колесо идет по более длинной дуге, нежели внутреннее, и при равенстве частот вращения неизбежна пробуксовка.

Материалы по теме

Схема работает гладко, пока одно из колес не теряет сцепление с дорогой. К примеру, когда правые колёса автомобиля стоят на асфальте, а левые — на льду. В силу своей конструкции обычный дифференциал имеет чрезмерную свободу. Стоящее на льду колесо будет беспомощно вращаться, а опирающееся на асфальт останется неподвижным.

Стремление решить проблему привело инженеров к созданию дифференциалов двух новых видов — с принудительной блокировкой и самоблокирующихся, повышенного трения (LSD, Limited-Slip Differential). Вторая группа получила большее распространение. Такие дифференциалы работают автономно и не требуют какого-либо внешнего привода. Их устанавливают серийно на многие спортивные легковые автомобили и кроссоверы. А можно самому приобрести и установить самоблок на свою машину. Самые ходовые — червячные (винтовые) и дисковые.

Дифференциалы LSD делятся на две группы по принципу действия: срабатывающие от изменения крутящего момента и от разницы угловых скоростей. Винтовые относятся к первой, а дисковые — ко второй.

Дискотека

Вариантов конструкции дисковых самоблоков масса, но основа их едина: в обычный свободный дифференциал добавлены два пакета фрикционных дисков, которые обеспечивают блокировку узла при пробуксовке одного из ведущих колес.

Материалы по теме

Каждый пакет расположен между корпусом дифференциала и одной из полуосевых шестерён. По конструкции он напоминает фрикционные муфты в автоматических коробках. Одна часть дисков в пакете находится в зацеплении с полуосевой шестерней, а другая — с корпусом дифференциала. При обычном движении автомобиля (например, в повороте) фрикционы разжаты и самоблок никак себя не проявляет: сателлиты обеспечивают разную частоту вращения колес. Но при пробуксовке одного из колес пакеты дисков сжимаются — и полуосевые шестерни обретают прямую связь с вращающимся корпусом дифференциала.

Основное сжатие дисков происходит за счет осевого смещения шестерней полуоси. Последние являются конусными, как и шестерни сателлитов. При передаче момента через такое зубчатое зацепление кроме центробежной силы возникает и осевая. Она стремится развести шестерни. Сателлиты закреплены на своих осях и не могут смещаться. Зато на это способны их полуосевые сёстры, ведь они подвижны на шлицах приводов колес. В результате расхождения к стенкам дифференциала шестерни сжимают свои пакеты фрикционов.

В некоторых самоблоках первоначальное поджатие фрикционов обеспечивает пружина между полуосевыми шестернями. В других вместо них использованы конические пружинные кольца, которые также создают определенный преднатяг. Есть конструкции с замысловатым центральным блоком (см. схему 1), в котором ось сателлитов при смещении, к примеру, во время резкого ускорения автомобиля разжимает большие полукольца — и они сдавливают пакеты фрикционов. Это происходит в дополнение к их сжатию полуосевыми шестернями при пробуксовке колеса.

Дисковый самоблокирующийся дифференциал (схема 1): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — левый пакет дисковых фрикционов; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — правый пакет дисковых фрикционов; 6 — ось блока сателлитов; 7 — раздвижные полукольца блока сателлитов.

Дисковый самоблокирующийся дифференциал (схема 1): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — левый пакет дисковых фрикционов; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — правый пакет дисковых фрикционов; 6 — ось блока сателлитов; 7 — раздвижные полукольца блока сателлитов.

Червоточина

Среди червячных самоблоков наибольшую известность получил дифференциал Torsen. Его название произошло от английского термина torque sensitive, «чувствительный к крутящему моменту». Такой дифференциал первого типа (Т1) был изобретен еще в 1958 году, тем не менее возможности этой конструкции по сей день остаются непревзойденными.

От свободного дифференциала конструкция Т1 отличается очень сильно. Роль привычных сателлитов играет замысловатая червячная передача, густо «наросшая» поверх полуосевых шестерен. Благодаря особенности своей работы она способна блокировать дифференциал. Дело в том, что червячная передача необратима: перенос момента возможен только от ведущего звена (червяк) к ведомому (полуосевая шестерня). То есть при пробуксовке колеса его полуосевая шестерня не сможет провернуть червяк из-за больших сил трения.

Червячный самоблокирующийся дифференциал Torsen T1 (схема 2): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — пара червячных сателлитов; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — ось сателлита; 6 — прямозубые шестерни взаимного зацепления сателлитов.

Червячный самоблокирующийся дифференциал Torsen T1 (схема 2): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — пара червячных сателлитов; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — ось сателлита; 6 — прямозубые шестерни взаимного зацепления сателлитов.

В корпусе Торсена Т1 закреплено три пары поперечных червяков (сателлитов), которые соединены между собой отдельными прямозубыми шестернями, расположенными по краям их осей. Одновременно каждый парный червяк находится в зацеплении со своей полуосевой шестерней. При движении автомобиля в повороте вся эта красота работает подобно сателлитам свободного дифференциала, обеспечивая необходимую разность частот вращения колес. Но как только момент на одном из колес меняется из-за потери сцепления с дорогой, червячная передача блокируется. Причем дело даже не доходит до физической пробуксовки «слабого» колеса.

Материалы по теме

Конструкция Торсена настолько чувствительна к изменению момента на осях, что мгновенно блокирует дифференциал, позволяя реализовать крутящий момент на колесе с лучшим сцеплением.

Torsen второго типа (T2) устроен проще. Похожий принцип работы имеет самоблокирующийся дифференциал Quaife, запатентованный в 1965 году. Одна из вариаций подобной конструкции показана на схеме 3. Два ряда винтовых сателлитов расположены продольно в корпусе дифференциала. Каждый из них находится в зацеплении со своей осевой шестерней. При этом сателлиты из разных рядов также соединены попарно. По архитектуре и принципу действия эта конструкция напоминает червячную передачу в Торсене Т1, но с продольным расположением. В зависимости от модели такого самоблока, в нем может быть от трех до пяти пар сателлитов.

При движении автомобиля в повороте продольный пакет сателлитов работает так же, как его сородичи в обычном дифференциале. При пробуксовке колеса в винтовых зацеплениях возникают осевые и радиальные силы. Они как бы распирают полуосевые шестерни и их сателлиты, прижимая их торцами к корпусу дифференциала. В отличие от схемы Т1, у Т2 червяки не закреплены на отдельных осях, а стоят в подобии колодцев. В итоге возникает целый ряд пар трения. Во‑первых, это полуосевые шестерни и стенки дифференциала, а во‑вторых — сателлиты и их колодцы. Причем червяки распирает в них так, что они контактируют со стенками в продольном и поперечном направлениях. Все эти силы трения суммарно блокируют дифференциал.

Винтовой самоблокирующийся дифференциал Torsen T2/Quaife (схема 3): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — винтовой сателлит левого ряда; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — винтовой сателлит правого ряда; 6 — крышки корпуса дифференциала.

Винтовой самоблокирующийся дифференциал Torsen T2/Quaife (схема 3): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — винтовой сателлит левого ряда; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — винтовой сателлит правого ряда; 6 — крышки корпуса дифференциала.

На своем месте

Материалы по теме

Если конкретная модель автомобиля обделена дифференциалом повышенного трения (LSD), а владелец хочет его заполучить, чтобы увереннее чувствовать себя на бездорожье или получать больше удовольствия от езды по гоночному треку, есть несколько путей решения проблемы.

Подбор самоблока зависит от режима эксплуатации машины. Если это обычная повсе­дневная езда и любительские соревнования в различных дисциплинах, то первым делом нужно изучить все существующие модификации автомобиля. Возможно, что некоторые версии получают LSD на заводском конвейере, но не поставляются на наш рынок. В этом случае можно заказать самоблок по каталогу или поискать бывший в употреблении. Лучше брать новый: это дороже, но будет уверенность, что он встанет на автомобиль как родной. Еще важнее другое: производитель тестировал машину с таким дифференциалом, подбирал его вид (дисковый или винтовой) и характеристики, чтобы по-настоящему раскрыть потенциал машины.

Случаются парадоксы: достоинство

дифференциальных уравнений - Введение

Дифференциальное уравнение - это уравнение с функцией и одной или несколькими ее производными:


Пример: уравнение с функцией y и ее производная ди дх

Решение

Мы решаем , когда мы обнаруживаем функцию y (или набор функций y).

Есть много «хитростей» для решения дифференциальных уравнений (, если они могут быть решены!).

Но сначала: почему?

Почему дифференциальные уравнения полезны?

В нашем мире все меняется, и , описывающий, как они меняются, часто заканчивается дифференциальным уравнением:

Пример: кролики!

Чем больше у нас кроликов, тем больше мы получаем маленьких кроликов.

Потом эти кролики вырастают и тоже имеют детей! Население будет расти все быстрее и быстрее.

Важными частями этого являются:

  • населения N в любое время т
  • темп прироста р
  • темпы изменения населения дн дт

Думайте о дн дт как о том, «насколько сильно меняется население с течением времени в любой момент времени».

Давайте представим, что скорость роста или составляет 0,01 новых кроликов в неделю для каждого текущего кролика.

Если популяция составляет 1000 , коэффициент изменения дн дн равен 1000 × 0,01 = 10 новых кроликов в неделю.

Но это верно только в для конкретного времени , и это не означает, что население постоянно увеличивается. Чем больше население, тем больше новых кроликов!

Когда население 2000 , мы получаем 2000 × 0.01 = 20 новых кроликов в неделю и т. Д.

Так что лучше сказать, что скорость изменения (в любой момент) - это скорость роста, умноженная на население в этот момент:

дн дт =

рн

А это дифференциальное уравнение , потому что оно имеет функцию N (t) и его производную.

И как сильна математика! Это короткое уравнение гласит: «Скорость изменения населения с течением времени равна скорости роста, умноженной на население».

Дифференциальные уравнения могут описать, как изменяется население, как движется тепло, как вибрируют источники, как распадается радиоактивный материал и многое другое. Это очень естественный способ описать многие вещи во вселенной.

Что с ними делать?

Само по себе дифференциальное уравнение - прекрасный способ выразить что-то, но его трудно использовать.

Итак, мы пытаемся решить из них, превратив дифференциальное уравнение в более простое уравнение без дифференциальных битов, чтобы мы могли выполнять вычисления, строить графики, предсказывать будущее и так далее.

Пример: сложный процент

Деньги зарабатывают проценты. Проценты могут начисляться в фиксированное время, например, ежегодно, ежемесячно и т. Д., И добавляться к первоначальной сумме.

Это называется сложный процент.

Но когда оно составляется непрерывно , то в любой момент проценты начисляются пропорционально текущей стоимости кредита (или инвестиции).

А с ростом кредита он вызывает больше интереса.

Используя т для времени, r для процентной ставки и V для текущей стоимости кредита:

dv dt = rv

И вот классная вещь: это то же самое, что уравнение, которое мы получили с Кроликами! У него просто разные буквы.Математика показывает, что эти две вещи ведут себя одинаково.

Решение

Дифференциальное уравнение говорит об этом хорошо, но сложно в использовании.

Но не волнуйтесь, это может быть решено (используя специальный метод, называемый Разделение переменных) и приводит к:

V = Pe rt

, где P - это Принципал (первоначальный кредит), а также номер Эйлера.

Таким образом, непрерывно составляемый заем в размере 1000 долларов США на 2 года с процентной ставкой 10% становится:

V = 1000 × e (2 × 0.1)

V = 1000 × 1.22140 ...

V = $ 1221,40 (с точностью до цента)

Итак, дифференциальные уравнения хороши для описания вещей, но их нужно решить, чтобы быть полезными.

Другие примеры дифференциальных уравнений

Уравнение Верхульста

Пример: кролики снова!

Помните наш рост Дифференциальное уравнение:

дн дт =

рн

Ну, этот рост не может продолжаться вечно, так как скоро у них закончится доступная еда.

Итак, давайте улучшим это, включив:

  • максимальная численность населения, которое продовольствие может поддерживать k

Парень по имени Верхульст все понял и получил это дифференциальное уравнение:

dN dt = rN (1-N / k)

Уравнение Верхульста

Простое гармоническое движение

В физике простое гармоническое движение - это тип периодического движения, при котором восстанавливающая сила прямо пропорциональна смещению.Примером этого является масса на пружине.

Пример: пружина и вес

Весну придают весу:

  • вес падает из-за силы тяжести,
  • , когда пружина растягивается, ее натяжение увеличивается,
  • вес замедляется,
  • затем натяжение пружины подтягивает его вверх,
  • , затем он падает вниз, вверх и вниз, снова и снова.

Опиши это с помощью математики!

Вес притягивается силой тяжести, и мы знаем из второго закона Ньютона, что сила равна массе, умноженной на ускорение:

F = m a

А ускорение является второй производной положения по времени, поэтому:

F = m d 2 x dt 2

Пружина вытягивает ее назад, основываясь на том, насколько она растянута ( k - это жесткость пружины, а x - насколько она растянута): F = -kx

Две силы всегда равны:

м д 2 x дт 2 = −kx

У нас есть дифференциальное уравнение!

имеет функцию x (t) , и это его вторая производная d 2 x дт 2

Примечание: мы не включили «демпфирование» (замедление отскоков из-за трения), которое немного сложнее, но вы можете поиграть с ним здесь (нажмите , играть ):

Создание дифференциального уравнения является первым важным шагом.Но нам также нужно решить , чтобы узнать, как, например, пружина отскакивает вверх и вниз со временем.

классифицировать, прежде чем пытаться решить

Итак, как нам решить из них?

Это не всегда легко!

В течение многих лет мудрые люди разработали специальных методов для решения некоторых типов дифференциальных уравнений.

Итак, нам нужно знать , к какому типу дифференциального уравнения это относится в первую очередь.

Это как путешествие: разные виды транспорта решили, как добраться до определенных мест. Это близко, чтобы мы могли просто погулять? Есть ли дорога, чтобы мы могли взять машину? Или это в другой галактике и мы просто пока не можем туда добраться?

Итак, давайте сначала классифицировать дифференциальное уравнение .

Обычный или Частичный

Первая основная группа:

  • "Обыкновенные дифференциальные уравнения" (ODE) имеют одну независимую переменную (например, и )
  • «Уравнения в частных производных» (PDE) имеют две или более независимых переменных.

Мы узнаем о обыкновенных дифференциальных уравнениях здесь!

Заказ и Степень

Далее мы разрабатываем Заказ и Степень:

Заказать

Ордер является старшей производной (это первая производная? Вторая производная? И т. Д.):

Пример:

dy dx + y 2 = 5x

Имеет только первую производную ди дх Так же как и «Первый заказ»

Пример:

d 2 y dx 2 + xy = sin (x)

Это имеет вторую производную d 2 y дх 2 Так же как и «Заказ 2»

Пример:

d 3 y dx 3 + x dy dx + y = e x

Это имеет третью производную d 3 y дх 3 который опережает ди дх Так же как и «Заказ 3»

Степень

Степень является показателем старшей производной.

Пример:

( dy dx ) 2 + y = 5x 2

Наивысшая производная просто dy / dx, и она имеет показатель степени 2, так что это «вторая степень»

Фактически это обыкновенное дифференциальное уравнение второй степени первого порядка

Пример:

d 3 y dx 3 + ( dy dx ) 2 + y = 5x 2

Наивысшая производная d 3 г / дx 3 , но у нее нет показателя степени (ну, на самом деле показатель степени 1 не показан), так что это «Первая степень».

(показатель степени 2 для dy / dx не учитывается, поскольку он не является высшей производной).

Итак, это обыкновенное дифференциальное уравнение первой степени третьей степени

Будьте осторожны, чтобы не перепутать порядок со степенью. Некоторые люди используют порядок слов, когда они имеют в виду степень!

Линейный

Это Линейный , когда переменная (и ее производные) не имеет показателя степени или другой функции, надетой на нее.

То есть нет y 2 , y 3 , √y, sin (y), ln (y) и т. Д., просто y y (или любой другой переменной).

Более формально линейное дифференциальное уравнение имеет вид:

dy dx + P (x) y = Q (x)

Решение

Хорошо, мы классифицировали наше дифференциальное уравнение, следующим шагом является решение.

И у нас есть Руководство по решению дифференциальных уравнений.

,
Понимание дифференциальной конфиденциальности | Nguyen

Эта статья представляет собой краткое введение в дифференциальную конфиденциальность. Читая, вы будете исходить из интуиции и причин, лежащих в основе важных концепций дифференциальной конфиденциальности, таких как потеря конфиденциальности, взаимосвязь между потерей конфиденциальности и точностью (выходов дифференциальной конфиденциальности). Таким образом, эти интуиции будут объяснены конкретными иллюстративными историями и подкреплены качественным и количественным анализом посредством программирования. В конце статьи ожидается применение частного ИИ с алгоритмом частного объединения учителей (PATE) в наборе рукописных цифр MNIST.

Примечание: приложение требует, чтобы читатель был знаком с Pytorch.

«Дифференциальная конфиденциальность позволяет техническим компаниям собирать и обмениваться сводной информацией о привычках пользователей, сохраняя при этом конфиденциальность отдельных пользователей».

Беседа

Каковы практические применения дифференциальной конфиденциальности?

В 21-м веке мы столкнулись со многими нарушениями больших данных, которые требуют от правительств, организаций и компаний пересмотра конфиденциальности.В отличие от этого, почти прорыв в машинном обучении происходит от методов обучения, которые требуют большого количества обучающих данных. Кроме того, исследовательские учреждения часто используют и обмениваются данными, содержащими конфиденциальную или конфиденциальную информацию о лицах. Неправильное раскрытие таких данных может иметь неблагоприятные последствия для личной информации субъекта данных или даже привести к гражданской ответственности или телесным повреждениям.

Разработка формальных моделей конфиденциальности, таких как Дифференциальная конфиденциальность, помогает в решении проблемы.Таким образом, все большее число организаций и компаний применяют Дифференциальную конфиденциальность для защиты конфиденциальной информации, такой как личная информация, события пользователя, местоположение человека в режиме реального времени, как упомянуто в этом посте: «Введение в дифференциальную конфиденциальность высокого уровня». Существует даже проект дифференциальной конфиденциальности с открытым исходным кодом для выполнения запросов дифференциальной конфиденциальности в любой стандартной базе данных SQL.

Короче говоря, дифференциальная конфиденциальность разрешает:
- Компании получают доступ к большому количеству конфиденциальных данных для исследований и ведения бизнеса без нарушения конфиденциальности.
- Исследовательские институты могут разрабатывать технологию дифференциальной конфиденциальности для автоматизации процессов конфиденциальности в сообществах совместного использования облачных технологий в разных странах. Таким образом, они могут защитить конфиденциальность пользователей и решить проблему обмена данными.

Рисунок 1. Информация в данных в представлении Дифференциальная конфиденциальность.

Что такое дифференциальная конфиденциальность?
- Дифференциальная конфиденциальность (DP) - это строгое математическое определение конфиденциальности в контексте статистического анализа и анализа машинного обучения. В соответствии с этим математическим определением DP является критерием защиты конфиденциальности, которому было разработано множество инструментов для анализа
конфиденциальной личной информации.[1].

Приведенная выше диаграмма представляет информацию, содержащуюся в данных под представлением DP. Таким образом, общая информация - это любая информация, которая не является специфической для какого-либо отдельного субъекта данных. Общая информация может быть понята как информация всего населения в данных (не только отдельное лицо или группа субъектов данных). Контраст общей информации - это личная информация, которая специфична для любого отдельного субъекта данных.

Рисунок 2 [1]: Дифференциальная конфиденциальность.

Как мы можем различить личную информацию и общую информацию?
- С точки зрения DP, частная информация - это изменение информации в данных до и после отказа от отдельного субъекта данных (показано на рисунке 2).Это также объясняет «дифференциальное» слово в названии.

  • Что это гарантирует?
    -
    Дифференциальная конфиденциальность математически гарантирует, что любой, увидевший результат дифференциально-частного анализа, по сути сделает такой же вывод относительно личной информации любого человека, независимо от того, включена ли личная информация этого человека во входные данные для анализа. [1]
    - DP обеспечивает математически доказуемую гарантию защиты конфиденциальности от широкого спектра атак на неприкосновенность частной жизни ( включают разностных атак , атак с использованием связывания, и атак восстановления) [2].
  • Что это не гарантирует?
    DP не гарантирует, что кто-то считает, что его секреты останутся в тайне. Важно определить, какая информация является общей, а какая - частной, чтобы получить выгоду от зонтика DP и снизить вред. DP гарантирует защиту только частной информации (упомянутой выше). Так что, если секретом является общая информация, она не будет защищена!

Чтобы понять это, давайте рассмотрим сценарий, когда вы, курильщик, решили принять участие в опросе.Затем анализ данных опроса показывает, что курение вызывает рак. Вы, как курильщик, пострадаете от анализа? Возможно. Исходя из того, что вы курите, можно судить о состоянии вашего здоровья. Это, безусловно, тот случай, когда он узнал о вас больше после исследования, чем было известно ранее (это также является причиной того, что это «общая информация», а не «публичная информация»), но была ли ваша информация утечка? Дифференциальная конфиденциальность будет исходить из того, что это не так, с обоснованием того, что воздействие на курильщика одинаково независимо от того, участвовал он в исследовании или нет.Именно выводы, сделанные в исследовании, влияют на курильщика, а не на его присутствие или отсутствие в наборе данных. [2]

Как это работает?

Давайте рассмотрим канонический пример, чтобы увидеть, как работает алгоритм DP, который удовлетворяет критерию DP: Представьте, что вы - специалист по социальным данным, который хочет провести анализ данных опроса о очень запретном поведении. Каждая запись в данных является ответом (правдой) отдельных лиц, «да» или «нет», среди обследованного населения. Из-за политики конфиденциальности владелец данных или куратор никогда не разрешает вам прямой доступ к данным.

Вы, эксперт DP, предложили куратору алгоритм DP для удаления частной информации из данных, с помощью которого вы можете выполнить анализ данных. Таким образом, для каждой записи куратор будет применять этот алгоритм:

  • Бросить монетку (смещение монеты - это вероятность того, что ее исход является головным, и она будет обозначаться как p_head .).
  • Если головы, верните ответ в записи.
  • Если хвосты, подбросьте вторую монету и верните «да», если голова, и «нет»
.

Что такое дифференциальная сигнализация? | ОРЕЛ

Есть что-то удивительное в том, что вы можете использовать новейшие технологии и интерфейсы в дизайне вашей печатной платы. Мы говорим о таких вещах, как USB 3.0, HDMI, Ethernet; список можно продолжить. Все, что добавляет современную функциональность вашему устройству и выделяет его. Но при добавлении некоторых из этих передовых технологий на вашу доску есть компромисс; они внезапно бросают вас в мир скоростного дизайна. Именно в этом мире вы должны обращать внимание на большее количество переменных, чем когда-либо, таких как целостность сигнала (SI), электромагнитные помехи (EMI) и, самое главное, дифференциальная сигнализация.Хотя в прошлом вы могли использовать однострочные трассировки, но если вы хотите работать с новейшими технологиями, подготовьтесь к добавлению парной трассировки в микс. Так что же такое дифференциальная сигнализация, и зачем вам когда-нибудь нужно использовать ее на вашей высокоскоростной плате? Давайте разберемся.

То, что вы использовали для

Чтобы понять дифференциальную сигнализацию, вы должны сначала понять ее противоположность - одностороннюю сигнализацию. Не позволяйте причудливому имени сбить вас с толку; это именно тот тип сигналов, с которым вы работали над любой конструкцией печатной платы, которая не считается высокоскоростной.Как следует из названия, односторонняя сигнализация - это отправка сигнала от передатчика к приемнику с одной трассой. Это оно.

Пример односторонней сигнализации на схеме, обратите внимание на одну сигнальную линию из Data Into Data Out. (Источник изображения)

Это означает, что у вас будет один медный след, несущий ваш сигнал к конечному пункту назначения, и оттуда он направляется к вашему общему заземлению и обратно к вашему источнику. Это обычная практика в каждой стандартной компоновке печатной платы, с которой вы, возможно, работали в прошлом.Каждый раз, когда вы рисуете трассировку в Autodesk EAGLE и подключаете ее от одного контакта к другому; тогда вы работаете с односторонним сигналом.

Когда вы начинаете втискивать кучу следов и компонентов в действительно тесные пространства, вам нужен способ обойти потенциальные проблемы электромагнитных помех (EMI). Потому что, если есть что-то, что нужно знать о проблемах с электромагнитными помехами, это то, что он сделает отличную работу, чтобы испортить качество сигналов, которые вы посылаете. Вот пример:

  • Скажем, вам нужно сохранить часть данных в определенном месте в памяти DDR, чтобы вы посылали сигнал из точки А в точку Б.
  • Что происходит на пути этого сигнала, если он сталкивается с электромагнитными помехами? На данные внутри сигнала могут влиять помехи. Превращая нашу красивую квадратную волну в нечеткий беспорядок.
  • И прежде чем вы это узнаете, сигнал, который вы послали, в конце концов становится беспорядочным и неузнаваемым.

Чтобы помочь защитить целостность сигналов на их пути в высокоскоростной конструкции, вам нужен более надежный способ обеспечения безопасности передаваемой информации, чем может обеспечить односторонняя сигнализация.И это именно то, что помогает дифференциалам сигнализации.

Что такое дифференциальная сигнализация? Все о

В отличие от несимметричных сигналов, дифференциальные сигналы используют не одну, а две трассы, которые работают в тандеме вместе. Вот как это работает - у вас есть две трассы, каждая из которых передает один и тот же сигнал, одна из которых считается положительным, а другая - отрицательным.

Здесь дифференциальная сигнализация (внизу) и односторонняя сигнализация (вверху) рядом.(Источник изображения)

Когда информация передается по этой схеме с двумя трассами и поступает к месту назначения, приемник может затем извлечь данные, анализируя разность потенциалов между положительным и отрицательным сигналом. Анализируя этот двойной сигнал и его разность напряжений, ваш приемник может понять, передает ли этот сигнал 1 или 0, или высокое или низкое напряжение.

Таким образом, для каждого дифференциального сигнала, который вы должны добавить на свою доску, вам нужно будет расположить две трассы рядом друг с другом.Например, если у нас есть доска с 20 различными сетями, которые необходимо подключить, нам нужно всего 40 отдельных трасс, чтобы выполнить работу.

Мы знаем, о чем вы сейчас думаете - с какой стати я хочу удвоить количество трасс на макете доски? Это займет некоторое ценное пространство на печатной плате, которое можно использовать для размещения компонентов и облегчения моей работы по маршрутизации. На первый взгляд, вы правы, дифференциальные сигналы занимают больше места на вашей печатной плате, но у них есть некоторые удобные преимущества в высокоскоростных приложениях проектирования, таких как:

Отдельные системы электропитания

Поскольку дифференциальные сигналы равны и противоположны, они не обязательно посылают сигнал возврата на землю; тогда вы можете сделать что-то вроде аналогового сигнала, поступающего на цифровое устройство, не беспокоясь о пересечении границ электропитания.Это значительно упрощает разделение энергосистем. Однако следует помнить одну вещь: если вы работаете с технологиями USB или RS-485, вам, скорее всего, понадобится общая земля, чтобы ваши дифференциальные сигналы оставались в пределах требуемого порога напряжения.

Сопротивление входящих электромагнитных помех

Дифференциальная сигнализация

также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении любых входящих электромагнитных помех или перекрестных помех от других шумовых следов. Любые помехи, в которые проникает дифференциальный сигнал, равномерно распределяются между положительными и отрицательными следами, что уменьшает любое изменение амплитуды, которое могут вызывать внешние проблемы с электромагнитными помехами.

Как определить, что включено и выключено в этом шумном цифровом сигнале? (Источник изображения)

Сопротивление исходящим электромагнитным помехам

Ваши дифференциальные сигналы также будут генерировать свои собственные электромагнитные помехи при передаче информации, как и односторонние сигналы. Однако, поскольку положительный и отрицательный сигналы в дифференциале имеют одинаковую полярность и расстояние, это эффективно нейтрализует любые выбросы электромагнитных помех.

Еще один замечательный пример того, как электромагнитные помехи в форме шума могут влиять на сигнал на его пути.К счастью, здесь использовались дифференциальные сигналы. (Источник изображения)

Низкое напряжение

Дифференциальные сигналы также имеют дополнительное преимущество, заключающееся в возможности работать при более низких напряжениях, чем несимметричные сигналы, и в то же время поддерживать их отношение сигнал / шум (ОСШ). А при более низком напряжении вы получаете возможность использовать более низкое напряжение питания, пониженное энергопотребление и снижение выбросов электромагнитных помех.

Сроки Точность

Несимметричных сигналы имеют кучу факторов, чтобы рассмотреть, чтобы определить, какой тип логического состояния они могут быть, как напряжение питания, опорное напряжение и т.д.Но с помощью дифференциальных сигналов это намного проще определить. Если отрицательный след в дифференциальном сигнале является более высоким напряжением, чем положительный след, то у вас высокое логическое состояние, а если наоборот, то у вас низкое логическое состояние.

Логические состояния имеют как высокий, так и низкий диапазон, чтобы сигнализировать о передаче 1 или 0. (Источник изображения)

Использование дифференциальных сигналов в вашем дизайне

Теперь, когда вы понимаете все большие преимущества, которые дает использование дифференциальной сигнализации в вашей высокоскоростной конструкции, вам может быть интересно, какие ограничения они требуют.Как вы, вероятно, можете себе представить, все преимущества дифференциальной сигнализации сильно сказываются на способности постоянно сохранять эти следы на одинаковой длине и расстоянии друг от друга, иначе вы испортите равные преимущества напряжения и полярности между два. Вот три быстрых совета по настройке правил проектирования для ваших дифференциальных сигналов в Autodesk EAGLE:

  • Правило 1 - Держите ваши следы на равных длинах . Если вы этого не сделаете, то вы потеряете всю выгоду от двух следов, соединенных вместе на всем пути от передатчика к приемнику.И потерять это означает иметь дело с некоторыми неприятными выбросами EMI, которые могут повредить ваши данные. В большинстве устройств вы можете иметь разницу в длине трассы до 500 мил, но держите их как можно ближе.
  • Правило 2 - трассы дифференциальных трасс сближаются . Вызывается связь, это снова сводится к озабоченности по поводу EMI. Чем ближе вы соединяете ваши дифференциальные сигналы вместе, тем меньше становится область петли индуцированного тока, что напрямую влияет на то, сколько EMI будут излучать ваши следы.Держа две трассы близко друг к другу, ваша способность устранять проблемы с электромагнитными помехами значительно улучшается.
  • Правило 3 - Поддерживайте постоянное сопротивление . Важно всегда поддерживать постоянный дифференциальный импеданс трассы по всей длине его линии от передатчика до приемника. Ваш импеданс будет зависеть от многих вещей, таких как ширина ваших следов, толщина вашей меди и материалы, которые вы используете в своем слое. Наберите эти переменные, точно рассчитайте, какой у вас должен быть импеданс, и придерживайтесь его.

Пребывание со временем

Если вы собираетесь работать с новейшими технологиями в дизайне вашей печатной платы, такими как USB 3.0, HDMI, DDR, Ethernet и т. Д., То дифференциальные пары станут вашим новым лучшим другом. Эти тесно связанные трассировки не только помогают уменьшить входящие и исходящие электромагнитные помехи, но также облегчают разделение энергосистем и могут снизить общее напряжение, необходимое для питания вашего проекта. Помните, однако, чтобы получить все преимущества дифференциальной сигнализации, вам необходимо строго определить свои правила проектирования, чтобы ваши трассы были одинаковой длины с узким расстоянием и точными импедансами.Если вы этого не сделаете, вы нарушите их выгодный баланс!

Готовы начать работу с дифференциальной сигнализацией в своем первом высокоскоростном дизайн-проекте? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

,

Смотрите также

Автопрофи, г. Екатеринбург, ул. Таватуйская, 20.