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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Computersysteme und
insbesondere auf Mittel zur weitestgehenden Reduzierung der
elektromagnetischen Strahlung solcher Systeme.
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In gemäß dem Stand der Technik ausgelegten Computersystemen ist
eine Systemplatine mit der Prozessorlogik so angeordnet, daß
Stifte und Bohrungen auf der Grundplatte eines Blechrahmens,
der mit Seitenwänden versehen ist, paarig zusammengesetzt
werden. An einem Teil der Seitenwände ist ein nach innen
verlaufendes Metallgehäuse (häufig als "Shadow Box" bezeichnet)
angeschweißt, das vertikale Schlitze aufweist, durch welche
Verbindungen von innerhalb des Rahmens befindlichen E/A-
Zusatzkarten mit externen, peripheren Einheiten mittels Kabeln
und E/A-Steckverbindern hergestellt werden. Die elektrische und
mechanische Verbindung der Karten mit der Platine erfolgt mit
Hilfe spezieller, in die Platine eingesetzter
Karten-/Platinensteckverbinder, sowie mittels unterer Kontaktzungen auf den
Karten, die in diese Steckverbindungen gedrückt werden. An den
Karten befestigte E/A-Kartenstützen aus kohlenstoffarmem Stahl
sind so geformt, daß sie in das Gehäuse eingreifen und die
vertikalen Schlitze verschließen, wobei eine Schraube das obere
Ende der Stütze an dein Gehäuse befestigt und eine Kontaktfeder
das untere Ende der Stütze gegen das Gehäuse preßt. Ähnliche
Stützen sind an dem Gehäuse in Schlitzpositionen befestigt, in
denen keine Zusatzkarten eingesetzt sind.
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Die Konfiguration gemäß dem Stand der Technik hat mehrere
Nachteile. Die Einbauposition der installierten, aus Karte und
Stütze bestehenden Baugruppe in Richtung des Gehäuses kommt in
erster Linie durch den Eingriff des Kartenanschlusses in den
zugehörigen Steckverbinder auf der Systemplatine zustande. Die
maßliche Beziehung zwischen den benachbarten Oberflächen jeder
Stütze und jedes Schlitzes wird durch die unterschiedlichen
Toleranzen in verschiedenen Maßen festgelegt, wie z.B. den
Abstand zwischen dem Kartenanschluß und Bohrungen, durch welche
die Stütze mittels mit Gewinde versehener Verbindungselemente
befestigt ist, den Abstand zwischen den Bohrungen in einer
Kartenstütze, über welche diese Verbindungselemente wirksam sind,
und der Oberfläche dieser Stütze neben dem Gehäuse, den Abstand
zwischen dieser Gehäuseoberfläche und Verbindungselementen,
welche die Systemplatine am Rahmen befestigen, den Abstand
zwischen den Bohrungen für diese auf der Systemplatine wirksamen
Befestigungselemente und die zur Aufnahme des Karten-/Platinen-
Steckverbinders in dieser Baugruppe verwendeten Bohrungen, der
Position der Stifte, die sich jenseits dieses Steckverbinders
innerhalb der Bohrungen in der Systemplatine erstrecken, und
quadratische Beschaffenheit des Gehäuses in Relation zu den
Oberflächen des Rahmens, in dem die Systemplatine befestigt
ist.
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Aufgrund der großen Anzahl der beteiligten Maße treten relativ
große Abweichungen in diesem Abstand zwischen den benachbarten
Oberflächen der E/A-Kartenstütze und der geschlitzten
Gehäuseoberfläche bei der Fertigung von Systemeinheiten auf. Wenn
dieser Abstand zu groß ist, verzieht sich die Stütze während
der Installation, so daß eine beträchtliche Lücke zwischen
diesen beiden Oberflächen entsteht. Mit anderen Worten, die
Kontaktfeder und die Schraube befestigen zwar den unteren und
oberen Teil der Stütze an der Gehäuseoberfläche, doch bei der
Verbindung der Karte mit der Platine wird der mittlere Teil dieser
Stütze von der benachbarten Gehäuseoberfläche weggezogen. Diese
Verbiegung stellt ein offenkundiges Problem dar und ist
sichtbar, wenn die Systemeinheit von hinten betrachtet wird und
Schlitze erkennbar sind, durch welche elektromagnetische
Strahlung aus der Systemeinheit entweichen kann.
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Ein elektrischer Massekontakt zwischen der Stütze und dem
Gehäuse wird nur oben und unten hergestellt. Dies ist ein
besonderer Nachteil, weil Kabelsteckverbinder typischerweise in
der Mitte solcher Kartenstützen befestigt sind, so daß der
elektrische Widerstand der Stützen auf ihrer Länge Bestandteil
des Hochfrequenzwiderstands zwischen solchen Steckverbindern
und dem Rahmen wird. Dieser Widerstand erschwert die Begrenzung
der elektromagnetischen Strahlung von Kabeln, die an solchen
Steckverbindern angeschlossen sind und als Antennen wirken.
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Andererseits muß - wenn eine mechanische Behinderung zwischen
den benachbarten Oberflächen der Stütze und dem Gehäuse
vorhanden ist - der Rahmen leicht gebogen werden, um die Installation
der Kartenbaugruppe zu ermöglichen. Dies kann eine solche
Installation erschweren oder unmöglich machen, wodurch
gravierende Probleme in der Fertigungs- oder Einsatzumgebung
entstehen und die Zusatzkarten mechanischen Spannungen ausgesetzt
werden.
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Beim Eingriff der Kontaktfeder in einer leeren Stütze wirkt
häufig ein Drehmoment auf die Stütze, so daß der mittlere
Bereich dieser Stütze von der benachbarten Oberfläche des
Gehäuses weggebogen wird, was ebenfalls beim Betrachten der
Systemeinheit von hinten ein deutlich erkennbares Problem
darstellt, und wodurch Schlitze ausgebildet werden, durch welche
elektromagnetische Strahlung aus der Einheit entweichen kann.
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Solche Probleme machen es schwierig, die EMV-Störfreiheit unter
dem von der US-Funkbehörde für Class B festgelegten Grenzwert
bei Taktfrequenzen von mehr als 8 MHz zu halten. Aus diesem
Grund wird in der vorliegenden verbesserten Anordnung in erster
Linie das Ziel verfolgt, die Nachteile der vorgenannten
Konfiguration gemäß dem Stand der Technik zu vermeiden.
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1) Ein Computersystem gemäß dem Stand der Technik laut Anspruch
1 wird in der Zeitschrift "Electrical Design News", Vol. 32,
Nr. 4, mit Datum vom 19.2.87 auf den Seiten 114-126
vorgestellt.
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Gegenstand dieser Erfindung ist ein Computersystem mit einer
Platte (39) für gedruckte Schaltungen, die eine Anzahl von
Sockeln (37) trägt und mit diesen verbunden ist, um
Zusatzkarten (27) aufzunehmen und zu verbinden, wobei jeder Sockel
erste und zweite Reihen von Kontakten (61, 62) aufweist, die
einander gegenüberliegend in Paaren ausgerichtet sind, um mit
entsprechenden Stiften auf gegenüberliegenden Oberflächen eines
Endanschlusses (36) auf einer Zusatzkarte eine Verbindung zu
bilden, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Kontakte in
jeder Reihe Massekontakte sind und eine größere Anzahl als die
ausgewählten Kontakte signalführende Kontakte (Fig. 5) sind und
die masse- und signalführenden Kontakte so angebracht sind, daß
jeder signalführende Kontakt um nicht mehr als eine
Kontaktposition von einem Massekontakt in irgendeiner der
Reihen gelegen ist.
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In einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, die im folgenden
ausführlich beschrieben wird, ist ein Anschlußgehäuse direkt in
die Rückwand des Grundrahmens einer Prozessoreinheit
integriert, wobei der Grundrahmen aus Polykarbonat gefertigt und
die Innenflächen vernickelt und verkupfert sind.
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Jeder der vertikalen Schlitze in dem Anschlußgehäuse, durch
welches Verbindungen zu peripheren Einheiten hergestellt
werden, ist durch ein allgemein U-förmiges Kanalprofil definiert,
wobei der Schlitz eine Öffnung in der Rückwand des Kanalprofils
ist, so daß die Rückwand nur aus einer schmalen Leiste besteht.
Eine passende U-förmige E/A-Kartenstütze ist so geformt, daß
sie in jeden der Kanäle aufgenommen werden kann. Dieses Design
ermöglicht bis zu 30% breitere E/A-Steckverbinder, die in den
Kanal und in die Stütze aufgenommen werden können.
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Durch das Einsetzen des Anschlußgehäuses können die Kosten,
Lagerbevorratungs- und Installationsanforderungen für
zusätzliche Teile entfallen. Zusätzlicher Platz wird für eine
größere Auswahl von in der E/A-Kartenstütze verwendbaren
Steckverbindern bereitgestellt, und des weiteren wird der
Toleranzaufbau zwischen den Zusatzkarten und dem Gehäuse
reduziert.
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Dieses Kunststoffgehäuse ermöglicht zusammen mit der
verbesserten E/A-Kartenstütze einen Kontakt in Abständen von je einem
halben Zoll für einen verbesserten Massekontakt der
Kabelabschirmungen und für die gesamte Integrität der
Gehäuseabschirmung. Die Reduzierung der Abschirmungsintegrität
zwischen einem separaten Anschlußgehäuse und einem Rahmen
besteht nicht mehr. Wie unten gezeigt wird, sind keine
Werkzeuge mehr zur Installation und zum Entfernen von Zusatzkarten
erforderlich. Die E/A-Kartenstütze wird durch eine in die
Stütze gestanzte Zunge befestigt, wodurch die Notwendigkeit
eines Werkzeugs für die Installation entfällt.
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Nach der Installation hat die E/A-Kartenstütze genügend
Bewegungsfreiheit, um sich - ohne Einbußen in bezug auf die
elektromagnetische Störfreiheit - innerhalb der Einheit nach vorne
oder nach hinten zu bewegen. Diese Bewegungsfreiheit gleicht
den Toleranzaufbau zwischen Grundplatte, Systemplatine und E/A-
Anschluß aus und verhindert, daß mechanische Spannungen auf der
Zusatzkarte entstehen.
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Die Rahmenkonstruktion des Anschlußgehäuses erfolgt
vorzugsweise durch Formung aller internen Funktionselemente des
Anschlußgehäuses in dem Innenkern des Formwerkzeugs, bei
welchem eine Anschrägung der vertikalen Stützwände um etwa 0,5
Grad erforderlich ist. Das bei dieser Methode verwendete
Werkzeug ist weniger kostenaufwendig zu fertigen und einfacher
instandzuhalten. Die E/A-Kartenstütze würde eine entsprechende
Anschrägung-um 0,5 Grad aufweisen, die beim Einbau und Ausbau
weniger Verschleiß und Abnutzung der Beschichtung auf der
Grundplatte verursachen würde.
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Die E/A-Kartenstütze besitzt ein U-förmiges Kanalprofil, das
aus halbhartem Edelstahl geformt ist. Dies dient zur
Verstärkung der relativ geringen Materialstärke, die für die Stütze
erforderlich ist, damit sie als Feder entlang ihrer Seitenwände
fungieren kann, in welche die EMV-Kontakte gestanzt werden.
Dieses Material verlangt keine Sekundärbeschichtung oder
Oberflächenvergütung, und die Stützen können in dem Zustand
verwendet werden, in dem sie nach der Formgebung vorliegen.
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Die Stütze verfügt über integrierte EMV-Massekontaktpunkte, die
etwa alle 12 mm an der Peripherie der Stütze angeordnet sind,
um einen annähernden 360 Grad-Anschluß einer externen
Kabelabschirmung an die Rahmenmasse zu ermöglichen und um die
geforderte Gehäuseabschirmungskontinuität entlang des
Zusatzschlitzes zu gewährleisten. Die Konfiguration dieser Kontakte
ist insofern einzigartig, als sie eine Art Torsionsfeder
darstellen. Diese Federn passen sich den unterschiedlichen
Fertigungstoleranzanforderungen des Anschlußgehäuses an, die von
den verschiedenen für die Fertigung diverser Systemeinheiten
verwendeten Werkstoffen auferlegt werden. Die Feder übt
außerdem einen definierten Druck auf die beschichtete
Kunststoffoberfläche des Anschlußgehäuses aus, um die Einsetz- und
Ausziehkräfte und die Abnutzung der beschichteten Oberflächen
weitestgehend zu reduzieren.
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Die Konfiguration der Kontakte ist dergestalt, daß die Stütze
entweder senkrecht in dem Anschlußgehäuse installiert wird, so
daß die Kontakte an den Seitenwänden des Anschlußgehäuses
entlanggleiten, bis sich die Stütze an der Einbauposition
befindet. Die Stützen können aber auch aus einem beliebigen Winkel
hinter der Öffnung installiert werden und gleiten dann an den
Seitenwänden des Anschlußgehäuses entlang, ohne sich zu
verkanten oder an den Ecken/Kanten des Gehäuses hängenzubleiben und
infolgedessen das Anschlußgehäuse oder die Stütze zu
beschädigen.
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Aufgrund der konstruktiven Ausführung der Stütze erübrigt sich
die Notwendigkeit interner Befestigungsschrauben. Die
Produktsicherheit erfordert es, daß in der Stütze ein ausreichend
großer Weg zur Rahmenmasse für den Fall vorgesehen ist, daß
eine externe Karte oder ein Anschluß ausfällt und einen
elektrisch unsicheren Zustand an der Stütze erzeugt. Folglich wird
eine externe unverlierbare Flügelschraube in einen Schlitz
unten an der Stütze eingesetzt, welche die Stütze an einem
Massezapfen befestigt.
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Die Stützen sind an den Zusatzkarten mit Hilfe von zwei
Durchziehnieten
befestigt. Zwei jeweils auf einer Seite vorhandene
Zungen - die eine oben und die andere unten - bieten eine
maximale Stützweite. Jede Zunge weist einen getriebenen Durchmesser
mit einem Durchgangsloch auf. Die Nieten werden durch die
Bohrungen in der Stütze und die entsprechenden Bohrungen in der
Karte geführt. Ein durch die Mitte des Niets gezogener Dorn
weitet den Niet auf, mittet die Teile in den Bohrungen ein und
spannt sie gleichzeitig zusammen ein. Die Nieten bewirken
außerdem eine Reduzierung des Toleranzaufbaus, bieten einen gut
leitenden Pfad, reduzieren die Anzahl der benötigten
Befestigungselemente und können in einer automatischen Fertigungslinie
montiert werden. Die Zungen sind vertieft, damit der Nietkopf
innerhalb der Mindestbreite der Stütze gehalten wird. Dadurch
werden wechselseitige Störungen zwischen dem Nietkopf und dem
Anschlußgehäuse vermieden. Die vertieften Durchmesser werden
mit verschiedenen Tiefen geformt, damit die Karte in einer 90º-
Position relativ zu der Systemplatine verbleiben kann und
gleichzeitig eine Einhaltung des Formschrägenwinkels in dem
Anschlußgehäuse gewährleistet ist. Diese Bohrungen/Positionen
sind standardisiert, so daß im Zuge der Entwicklung neuer
Zusatzkarten das einzig ggf. benötigte Werkzeug ein neuer Einsatz
für den Folgeschnitt für den bzw. die E/A-Steckverbinder ist.
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Die beiden oben an jeder Seite der Stütze befindlichen
Zungen/Träger erfüllen mehrere Funktionen:
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Sie legen eine maximale untere Anschlagposition (in Verbindung
mit Führungspfosten) fest, so daß die Zusatzkarten nicht kippen
und einen Kurzschluß an dem aus Steckverbinder und
Kartenanschluß bestehenden System verursachen.
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Die Anschlußzungen erhöhen die Systemsicherheit, da sie:
hinter den in die Grundplatte eingelassenen Führungspfosten so
fixiert sind, daß die Stütze physikalisch weggedrückt und
beschädigt werden müßte, bevor ein direkter Zugriff auf den
Systembus möglich ist.
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Die Anschlußzungen stellen die wichtigste
Grundebene/Hauptbezugsebene
für die Stützen dar.
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Sie stellen die wichtigste Bezugsebene zwischen der E/A-
Kartenstütze, Zusatzkartenbaugruppe und der Systemplatine dar.
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Ein Federkontakt wird oben an der Stütze zwischen den
Trägeranschlüssen gebildet, um einen EMV-Massekontakt mit der
leitenden Oberfläche des Anschlußgehäuses herzustellen.
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Die E/A-Kartenstütze ist so ausgelegt, daß sie - unabhängig von
den erforderlichen E/A-Steckverbindertypen und deren Größe
- für alle Zusatzkarten geeignet ist. Durch die Verwendung von
Einsätzen in dem Werkzeug kann die Vielzahl der künftig
erforderlichen E/A-Steckverbinder stets mit dem gleichen
Formwerkzeug für die Stütze eingesetzt werden. Die hierin beschriebenen
Konfigurationen haben gegenüber entsprechend dem Stand der
Technik ausgelegten Konfigurationen folgende Vorteile:
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1. Die Schlitzkonfiguration ist so ausgelegt, daß sie leicht in
einen Kunststoffrahmen eingesetzt werden kann.
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2. Die Stütze ist so konfiguriert, daß ein elektrischer Kontakt
mit dem Schlitz an einer Reihe von Punkten mittels
federbelasteter Oberflächen sowie in einem Bereich unter einem mit einem
Gewinde versehenen Befestigungselement hergestellt ist.
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3. Die Stütze und der Schlitz sind so konfiguriert, daß das
Mehrfachkontaktmuster nicht gestört wird, wenn eine
Verschiebung der Stütze in Richtung der Kartenlänge aufgrund von
Maßtoleranzabweichungen der Karte und der die Karte aufnehmenden
Systemplatinen-Baugruppe erfolgt.
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4. Die Form der Stütze und die Einwirkrichtung der
Kontaktkräfte wurden so gewählt, daß eine Deformierung der Stütze
während der Installation vermieden wird, wodurch sowohl das
Aussehen der Einheit als auch die elektrische Erdung der Stütze
verbessert wird.
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Die Kontaktherstellung an mehreren Punkten mit einem möglichst
geringen Abstand zwischen den Kontaktpunkten trägt zur
Reduzierung der elektromagnetischen Strahlung der Einheit bei. Der auf
ein Minimum verkleinerte Abstand zwischen den Kontaktpunkten
reduziert weitestgehend die Reflektierung der
elektromagnetischen Strahlung durch jeden Schlitz, der zwischen der Stütze
und dem Rahmen vorhanden ist, und reduziert ebenso die Wirkung
induzierter Spannungsmuster bei hohen Frequenzen in der Stütze.
Außerdem werden mehrere Massepunkte verwendet, um die Wirkung
der elektrischen Erdung der Stütze bei hohen Frequenzen zu
verstärken, so daß mit einer Verbesserung in der elektrischen
Erdung eines beliebigen, an die Stütze angeschlossenen
Kabelsteckverbinders zu rechnen ist. Dieser zuletzt beschriebene
Effekt ist besonders wichtig aufgrund des Umstands, daß an
solche Steckverbinder angeschlossene, unsachgemäß geerdete und
abgeschirmte Kabel dazu neigen, Strahlen wie Antennen
auszusenden.
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Wie im folgenden ausführlich beschrieben wird, ermöglicht die
mechanische Anordnung des Rahmens, der E/A-Kartenstütze, der
Platinen-/Kartensteckverbinder, der Zusatzkarte und der
Systemplatine sowie deren mechanische und elektrische Verbindung
untereinander, daß die Abstände zwischen den Kontaktmittelpunkten
auf den Karten-/Platinensteckverbindern um 50% reduziert werden
können. Darüber hinaus wurde die Anzahl von Masseleitungen/-
Kontakten in diesem Steckverbinder um 75% reduziert, ohne daß
sich die elektromagnetische Strahlung hierdurch wesentlich
erhöht hat. Durch die Kombination dieser Verbesserungen wird
die Größe des Platinen-/Kartensteckverbinders beträchtlich
reduziert.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun
ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Fig. 1, 2 und 3 eine Vorderansicht, Draufsicht und
Seitenansicht des Ausführungsbeispiels eines Anschlußgehäuses
darstellen;
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Fig. 4 und 5 perspektivische Ansichten eines
Ausführungsbeispiels einer E/A-Kartenstütze und eine Draufsicht der Stütze
nach ihrer Stanzung, jedoch vor ihrer vollständigen Formgebung
für den Einsatz in einen leeren Sockel darstellen;
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Figs. 6 und 7 ähnliche perspektivische Ansichten und
Draufsichten eines anderen Ausführungsbeispiels einer verbesserten E/A-
Kartenstütze darstellen, die für den Anschluß an eine
Zusatzkarte vorgesehen ist;
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Fig. 8 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Ansicht für
ein Anschlußgehäuse darstellt, das generell dem in Fig.1
gezeigten Typ entspricht, wobei dieses in einem Computergehäuse
befestigt ist und eine Zusatzkarte in einen Platinen-
/Kartensteckverbinder eingesetzt ist;
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Fig. 9 eine Explosionsdarstellung einer perspektivischen
Ansicht einer Zusatzkarte, eines Ausführungsbeispiels der
verbesserten E/A-Kartenstütze, bevorzugter Ausführungen für
Kartenhalter und Kartenhalterungen und der Mittel zur Befestigung der
verschiedenen Komponenten zeigt;
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Fig. 10 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Ansicht des
Anschlußgehäuses darstellt, das in den Computerrahmen als
integraler Bestandteil desselben eingesetzt ist, sowie die
bevorzugten Ausführungen für die verbesserten E/A-Kartenstützen
zeigt.
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Fig. 11, 12 und 13 eine Draufsicht sowie Schnittdarstellungen
für Vorder- und Seitenansichten eines
Platinen-/Kartensteckverbinders zeigt;
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Fig. 14 eine schematische Darstellung der Stiftanordnung von
Fig. 13 zeigt, um anhand dieser Darstellung den Austritt
elektromagnetischer Strahlung zu erklären;
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Fig. 15 eine schematische Darstellung der verbesserten
Anordnung
von masse- und signalführenden Leitungen zeigt, die mit
den Kontakten in dem Karten-/Platinensteckverbinder von Fig. 11
bis 13 verbunden sind.
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Fig. 1 bis 3 zeigen ein Anschlußgehäuse mit drei vertikalen
Schlitzen 2, die als U-förmige Kanäle ausgebildet sind. An der
Rückwand jedes Kanal befinden sich Flanschoberflächen 3, und
die Kanäle laufen von oben nach unten (Fig. 1) mit einer
Anschrägung von 0,5 Grad konisch zu. An den oberen Enden des
Kanals befinden sich Kerben 4 (Fig. 2). Das Gehäuse 1 wird
vorzugsweise aus Polykarbonat gefertigt, und alle Vorder- und
Seitenflächen sind metallbeschichtet (vorzugsweise verkupfert oder
vernickelt).
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Die E/A-Kartenstützen 5 und 6 (Fig. 4 und 6) werden jeweils aus
Edelstahl mit einem U-förmigen Querschnitt zum Einsetzen in
einen der Kanäle 2 gefertigt. Die Stützen 5 und 6 laufen
ebenfalls von oben nach unten mit einer Anschrägung von 0,5 Grad
konisch zu, so daß - wenn sie in die Kanäle 2 von oben nach
unten eingeführt werden - eine Bewegungsfreiheit zwischen der
Stütze und den Kanalwänden vorhanden ist und der Verschleiß an
den Kontakten 8 und 9 solange auf ein Minimum reduziert bleibt,
bis die E/A-Kartenstütze fest im Kanal sitzt.
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Wenn die Stützen 5 und 6 nach dem Ausstanzen als Zuschnitte
(Figs. 5 und 7) vorliegen, werden kleine dreieckförmige
Ausschnitte 10 und 11 an den Seitenteilen 12 und 13 der Stützen
vorgenommen. Die Nasen 14 und 15 werden nachfolgend leicht
vertieft und bilden die nach außen gerichteten Kontakte 8 und 9,
die als Kragarm fungieren und für eine zuverlässige elektrische
Verbindung beim Eingriff in die vertikalen Seitenwände der
Kanäle 2 sorgen. Die Kontakte sind vorzugsweise 12 mm
voneinander entfernt, um elektromagnetische Strahlung an der Stütze 5
oder 6 und durch die Kanäle 2 auf ein Minimum zu reduzieren.
Eine federbelastete Anschlußzunge 16 befindet sich am oberen
Ende der Stütze 5, und die Anschlußzungen 17 und 18 werden
unten ausgebildet, wodurch eine Aussparung 19 entsteht. Die
Stütze 6 verfügt über ähnliche Anschlußzungen 20, 21, 22 sowie
über eine Aussparung 23.
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Eine oder mehrere Öffnungen (wie in 24 in Fig.7 gezeigt) sind
in Stütze 6 zur Aufnahme von E/A-Kabelsteckerbaugruppen (nicht
gezeigt) vorgesehen. Die Anschlußzungen 25 und 26 der Stütze 6
sind für die Befestigung einer Zusatzkarte 27 (Fig. 8 und 9)
vorgesehen. Die Stütze 5 hat weder Öffnungen 24 noch
Anschlußzungen 25 und 26, da sie für die Abdeckung eines Kanals 2
vorgesehen ist, bei dem kein Anschluß an eine externe periphere
Einheit erfolgt.
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Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführung der
Zusatzkartenbaugruppe einschließlich der Karte 27 und der an der Karte mit
Hilfe von Befestigungselementen wie Niete 57 und
Unterlegscheiben 28 angebrachten Stütze 6. Die Niete 57 werden über die
Bohrungen 29 und 30 in die vertieften Bereiche der
Anschlußzungen 25 und 26 von Stütze 6 aufgenommen, und der
obere Niet wird auch über eine Bohrung 31 in einen Kartenhalter
32 aufgenommen, damit die Stütze 6 und die Karte 27 fest und
akkurat (wie oben beschrieben) mit dem Kartenhalter 32
verbunden sind. Wie oben ausführlicher beschrieben wurde, sind
die Nietköpfe von den vertieften Bereichen umschlossen.
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Mittels der oberen und unteren Klemmstifte 33 auf einer
Kartenhalterung 34 wird die Halterung an der Karte 27 befestigt, wenn
die Klemmstifte durch die Bohrungen 35 auf der Karte gedrückt
werden. Auf der Karte 27 befindet sich ebenfalls ein Anschluß
36 mit Leitern auf beiden Seiten, die für die Aufnahme in einen
passenden Stecksockel wie in Position 37 gezeigt (Fig. 8)
vorgesehen sind. Externe Verbindungen mit einer peripheren Einheit
werden über einen Sockel 38 auf Karte 27 vorgenommen.
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Fig. 8 zeigt die Stütze 6 vor ihrem Eintritt in den Kanal 2 des
Anschlußgehäuses 1, wenn die Karte 27 abgesenkt wird, um den
Anschluß 36 in den Stecksockel 37 einzusetzen. Stifte (nicht
gezeigt) an der unteren Kante des Stecksockel 37 wurden zuvor
in passende Buchsen (nicht gezeigt) auf der Systemplatine 39
eingesetzt. Die Platine 39 ist mittels paariger, an Position 41
gezeigter Positionierbohrungen und Stifte exakt auf der
Grundplatte eines Computerrahmens 40 angeordnet. Das Anschlußgehäuse
1 ist durch geeignete Mittel befestigt und innerhalb des
Rahmens 40 senkrecht zur Platine 39 angeordnet.
Schutzkontaktzapfen 42 stellen einen guten mechanischen und elektrischen
Abschirmkontakt mit den Anschlußzungen wie 17 und 18 (Fig. 4) von
Stütze 5, und den Anschlußzungen 21 und 22 von Stütze 6 zum
Erdungsnetz für die Abschirmung her. Die oberen Anschlußzungen 16
und 20 der Stützen stehen im Eingriff mit der beschichteten
Oberfläche des oberen Querträgers 43. Die Anschlußzungen 50 in
Stütze 5 werden in Kerben 4 eingepaßt, um die oberen Enden der
Stützen zu fixieren. Das Erdungsnetz für die Abschirmung (nicht
gezeigt) ist klar von dem Erdungsnetz für die Logikschaltkreise
abgegrenzt. Diese Isolierung verhindert, daß Logiksignale über
die Abschirmung zur AC-Sicherheitserdung durch externe
Einrichtungen zurückgeleitet werden. Der große, durch eine solche
externe Schleife definierte Bereich kann - errechnet mittels
Gleichung 1 weiter unten - auf eine beträchtliche hochfrequente
HF-Strahlung hindeuten, auch wenn nur sehr geringe Ströme durch
die Schleife fließen.
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Fig. 10 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel für ein
Anschlußgehäuse 1a, das direkt in den Rahmen 40a eingebaut ist.
Wenn die Kartenbaugruppe 27 in dem Anschlußgehäuse 1a
installiert ist, ist Kartenstütze 6a in einem zugehörigen Schlitz 2a
des Rechnerrahmens 40a wirksam, einem vernickelten und
verkupferten Kunststoffprofil, mit dem die elektrische Leitfähigkeit
zwischen der Stütze und dem Rahmen gewährleistet wird. Mit der
Rückwand von Kartenstütze 6a wird der Schlitz 2a des
Rechnerrahmens abgedeckt, wenn eine Kartenbaugruppe für die interne
Logik installiert wird. Wenn der Schaltkreis auf Karte 27 an
externe Einheiten außerhalb der Systemeinheit angeschlossen
wird, wird ein Kabelsteckverbinder (nicht gezeigt) durch eine
passende Öffnung 24a in dieser Rückwand geführt. Solche
Steckverbinder sind generell ebenfalls an dieser Rückwand elektrisch
geerdet. Außerdem befinden sich an der Kartenstütze 6a links
und rechts jeweils Seitenflächen 13a, die an den Rahmenflächen
45 auf beiden Seiten des Kanals 2a entlanggleiten. Auf jeder
dieser beiden Seitenflächen 13a befinden sich fünf
Kontaktpunkte. Die Position jedes Kontaktpunkts wird durch die
Federwirkung der Nase fixiert. Diese Oberflächen, Kontaktpunkte
und Nasen werden aus einem einzelnen Edelstahlblech gestanzt
und geformt. Die zehn Kontaktpunkte stehen mit den benachbarten
Bereichen der Rahmenoberflächen 45 in Kontakt und bieten damit
eine dezentralisierte Mehrpunkterdung, die als unterstützende
Maßnahme zur Beschränkung elektromagnetischer Strahlung
wünschenswert ist. Die Federwirkung der Nase ist dergestalt,
daß ein Kontakt unabhängig von Maßabweichungen in der
Kartenstütze 6a und dem Rahmen 40a hergestellt wird. Da die
Seitenflächen 13a parallel zur Richtung des Pfeils 46 verlaufen, wird
die Überlappung in bezug auf die Rahmenflächen 45
aufrechterhalten, so daß dieser Kontakt unabhängig von den Auswirkungen
zulässiger Toleranzabweichungen in der Richtung 46 bei der
Fixierung der Karte 27 mittels Anschluß 36 (Fig. 8) besteht.
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Die Rahmenoberflächen 45 sind leicht winklig zueinander
angeordnet und bilden dadurch eine konische Öffnung, die an ihrem
Eingang bei der Installation einer Kartenbaugruppe am weitesten
ist. Dadurch wird das Abziehen des Formteils ermöglicht, die
diesen Teil des Kunststoffrahmens 40a bildet. Die Seitenflächen
13a der Kartenstütze sind ähnlich winklig zueinander
angeordnet, um einen gleichmäßigen Eingriff bei der vollständigen
Installation der Kartenbaugruppe zu ermöglichen. Diese
Anschrägung im Profil der Öffnung und der Kartenstütze hilft auch
beim Einsetzen oder Entfernen der Kartenbaugruppe, weil die
ansonsten erforderliche, vollständige Biegung der federnden
Kontaktnase bei der Installation entfällt.
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Am oberen Ende der Kartenstütze 6a befindet sich außerdem eine
Anschlußzunge 20a, die bei der Installation der Kartenbaugruppe
eine benachbarte Rahmenoberfläche 43a berührt; am unteren Ende
befinden sich die Anschlußzungen 21a und 22a, die mit der
Rückseite des Schutzkontakttapfens 42a einer Nasseschiene 47 in
Kontakt stehen. Diese Masseschiene 47 ist durch geeignete AC-
Kopplungselemente (nicht gezeigt) mit der elektrischen Masse
des Systems elektrisch verbunden. Die Enden der Anschlußzungen
21a, 22a und des Schutzkontaktzapfens 42a sind so geformt, daß
sie voneinander weggerichtet sind, um so die Installation der
Kartenbaugruppe durch Vermeidung von Kontakt zwischen den Enden
zu vereinfachen.
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Die Anschlußzungen 21a und 22a bilden eine Aussparung 23a, die
es diesem Anschluß ermöglichen, an eine mit einem Gewinde
versehenen Zapfenbohrung 48 vorbeigeführt zu werden, welche ein
unverlierbares Befestigungselement 49 aufnimmt, das an dem
einen Ende mit einem Gewinde versehen und an dem anderen Ende
gerändelt ist. Dieses Befestigungselement 49 kann von Hand
angezogen werden, um die Anschlußzungen 21a und 22a nach
Installation der Kartenbaugruppe einzuspannen. Durch diese
Einspannung entsteht ein elektrischer Erdungspfad, der relativ hohe
Ströme führen kann, um sicherzustellen, daß die
Stromschutzeinheiten im Falle eines Kurzschlusses, von dem an die
Kartenstütze angeschlossene Hardware betroffen ist, aktiviert werden.
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Leere Stützen 5a sind zum Abdecken nicht benutzter Schlitze im
Rahmen vorgesehen. Diese Stützen befinden sich im Eingriff mit
den Oberflächen des Rahmens 40a und des Schutzkontaktzapfens
42a, der mit der Masseschiene 47 wie oben beschrieben verbunden
ist. Darüber hinaus werden die oberen Enden jeder Stütze 5a mit
Hilfe von zwei Anschlußzungen 50 in dafür vorgesehene Kerben 51
des Rahmens 40a bei der Installation fixiert. Ähnliche
Anschlußzungen 50 sind auf der Stütze 6a vorgesehen und
verhindern außerdem ein zu starkes Kippen der Karte 27.
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Bestandteil des Rahmens 40a sind außerdem Flanschoberflächen
3a, die zum einen der Ästhetik dienen, weil sie die
Kontaktbereiche bei der Betrachtung der Systemrückseite von außen
abschirmen und die Luftzirkulation für die Kühlung steuern, und
zum anderen den Austritt elektromagnetischer Strahlung aus der
Einheit verhindern.
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Da die Kontaktoberflächen 45 parallel zur Richtung des Pfeils
46 angeordnet sind, und da die Kontakte 9a so konfiguriert
sind, daß ein elektrischer Kontakt mit diesen Oberflächen
hergestellt wird, erfolgt dieser Kontakt unabhängig von
Abweichungen des Einbauorts der Kartenbaugruppe in Richtung des Pfeils
46, verursacht durch den Eingriff des Kartenanschlusses 36 in
den Stecksockel 37 auf der Systemplatine (wie in Fig. 8
gezeigt). Mit solchen Abweichungen ist aufgrund von abweichenden
Maßtoleranzen innerhalb der Kartenbaugruppe, des Rahmens und
der Systemplatine zu rechnen. Dieser Kontakteingriff wird
außerdem ohne Biegen des Hauptprofils der Kartenstütze 6a
erreicht. Da der Querschnitt dieser Stütze 6a U-förmig ist, ist
dieses Profil steif und nicht biegsam. Da eine Vielzahl von
Kontakten an der Peripherie der Kartenstütze 6a angeordnet ist,
ist der Abstand zwischen benachbarten Kontakten begrenzt,
wodurch die Länge jedes Schlitzes, durch den elektromagnetische
Strahlung entweichen kann, auf ein Minimum reduziert wird. Da
die Kontaktpunkte in Relation zum Hauptprofil der Kartenstütze
6a flexibel konfiguriert sind, kann ein elektrischer Kontakt
leicht an allen Punkten unabhängig von Maßabweichungen
innerhalb der Toleranzen erfolgen.
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In künftigen Computersystemen wird es gewünscht werden, in
einem Universalgehäuse unterschiedliche Prozessoren,
beispielsweise einen 8- oder 16-Bit-Datenbus oder 24/32-Bit-Adreßbus, in
Einzel- oder in Multibus-Auslegung in Kleinrechnern
unterzubringen, die unterschiedliche, jedoch zueinander kompatible
Prozessoren aufweisen. Dies ist eine Basis, auf der eine
Vielzahl kleiner Systeme in den oberen und unteren
Leistungsklassen auf dem derzeitigen PC-Markt entwickelt werden kann.
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Eine platzsparende Konfiguration innerhalb des Rahmens und eine
Optimierung der EMV-Eigenschaften sind in diesen künftigen
Systemen wichtig. In solchen Systemen werden Signale, die von der
Prozessortaktung und einem Systemoszillator stammen, auf einen
oder mehreren asynchronen Bussen bereitgestellt. Die Signale
werden zur Generierung anderer Hochgeschwindigkeitssignale
sowohl von den Schaltkreisen auf der Systemplatine wie z.B. 39
(Fig. 8), als auch von denen auf Zusatzkarten wie z.B. 27
verwendet. Selbst wenn die Prozessortaktung auf dem Bus geringer
als die eigentliche, zur Ansteuerung des Prozessors verwendete
Taktung ist, werden durch die Übergänge auf dem Bus - induziert
von dem Prozessor - Frequenzkomponenten generiert, die
Harmonische oder Mischprodukte der eigentlichen Prozessortaktung sind.
Es ist bekannt, daß das elektromagnetische Strahlungsfeld durch
die Summe aller strahlenemittierenden Stromschleifen in dem
System erzeugt wird. Echter Fortschritt bei der Optimierung der
elektromagnetischen Verträglichkeit kann in einem System
erzielt werden, indem auf Kabel verzichtet wird, Anstiegszeiten
gesteuert, Entkopplungen und andere Maßnahmen im Einklang mit
guten Konstruktionspraktiken durchgeführt werden. Wenn jedoch
das Strahlungsproblem nicht an der Quelle gelöst wird, können
diese guten Konstruktionspraktiken auf kostspielige Lösungen
hinauslaufen, wie z.B. Ausfiltern, Beschichtung der
Grundplatte, Stromversorgung und Abschirmung. Die aus dem Anschluß
zwischen der Systemplatine und einer Zusatzkarte austretende
Strahlung kann mittels der unten beschriebenen Methoden
beträchlich reduziert werden.
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Bei Prüfungen in einer EMV-Kammer wurde festgestellt, daß E/A-
Steckverbinder die Hauptquelle für EMV-Strahlung darstellen,
auch wenn das System nur an externe Einheiten angeschlossen
ist. Dies geschieht, weil Stromschleifen durch die
Prozessortaktung und von anderen HF-Signalen induziert werden, wenn
diese in eine E/A-Zusatzkarte übergehen oder aus ihr
zurückgeleitet werden. Durch Masseschienen in den Planar- und
Zusatzkarten werden die Stromschleifen zwar eliminiert, doch die
Strahlungssignale werden beim Durchgang durch die
Zusatzkartenanschlüsse freigesetzt. Die abgestrahlte Energie wird durch die
folgende Gleichung ermittelt (Bezug siehe Fig. 14):
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GLEICHUNG 1 : E= KAIF2
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HIERBEI GILT E ist der Strahlungsfeldvektor
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K ist eine Proportionalitätskonstante
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A ist der Bereich jeder Schleife
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I ist die Stromstärke in der Schleife
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F ist die Frequenzkomponente, welche die
Energie erzeugt
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Daraus ergibt sich rein netto, daß die abgestrahlte Energie von
drei Faktoren beeinflußt wird: Schleifenbereich, Stromstärke
und Frequenz. Darüber hinaus verschärft sich das Problem mit
dem Quadrat des Prozessortakts. Die Frequenz richtet sich nach
der in der Konstruktion vorgegebenen Prozessorgeschwindigkeit,
und die Stromstärke richtet sich nach der Stromstärke der
Logikempfänger und Treiber auf den Zusatzkarten. Der
Schleifenbereich wird durch die Entfernung des Signals zum
nächstgelegenen Masseanschluß und die physikalischen Abmessungen des
Anschlusses wie z.B. in Position 37, Fig.8, bestimmt. Angesichts
dessen, daß ein 6 MHz-Prozessor 6 db unter dem FCC-Grenzwert
für Rechengeräte der Klasse B ist, sagt diese Gleichung korrekt
voraus, daß ein 8 MHz-Takt in demselben Taktgeber in demselben
Prozessor 1 db unter dem FCC-Grenzwert für Rechengeräte der
Klasse B bei analoger Frequenz oder bei der Harmonischen wäre.
Weiterhin würde - wenn keine weiteren Maßnahmen zur Reduzierung
der Strahlung getroffen werden - der FCC-Grenzwert für den
Prozessor überschritten werden, wenn dieser mit einer Taktfrequenz
oberhalb 8,5 MHz arbeitet. Ein experimentelles Erdungsnetz, das
eine verbesserte Stiftanordnung und andere, hierin beschriebene
EMV-Eigenschaften aufweist, wurde bei einer 20 db-Spanne für
prozessorgenerierte Komponenten getestet und deutete auf eine
Grenzfrequenz bei vorgenannter Methode bei etwa 30 MHz hin.
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Der Erdrückleitungsstrom fließt vorwiegend über den bevorzugten
Pfad aufgrund der reduzierten Impedanz infolge wechselseitiger
Induktivität in dem benachbarten Signalleiter. In einem Kabel
ist normalerweise eine separate Masse für jedes Signal
vorhanden, um eine wechselseitige induktive Kopplung "M" zu einem
Pfad nur dann zu gewährleisten, wenn eine wesentliche
Induktivität "L" (welche die Wirkung von "M" abschwächt) in Serie mit
den Massen zu Einzelpunkt-Masseanschlüssen an den Kabelenden
vorliegen kann.
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Wenn die Serieninduktivität "L" durch Standardverfahren wie
z.B. Masseflächen an den Kabelenden oder gerasterte
Erdungsnetze o.ä. auf ein Minimum reduziert wird, kann eine gemeinsame
Erdrückleitung für eine Anzahl von Signalen 1, 2, N verwendet
werden, wobei die wechselseitigen Induktivitäten für die
Strompfadauswahl die dominanten Faktoren darstellen. Der durch
den Abstand zwischen Signal und Masse definierte Bereich wird
daher auf ein Minimum reduziert, wenn die Erdrückleitung zu
allen beteiligten Signalen benachbart liegt.
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Durch die verbesserte Stiftanordnung gemäß Fig. 15 werden
Strahlungsemissionen auf ein Minimum beschränkt:
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a) Jeder vierte Stift auf jeder Seite des Anschlusses 36 der
Zusatzkarte (Fig. 8) ist direkt an Erde gelegt oder wie in Fig.
15 gezeigt im Hochfrequenzbereich zur Masse (AC-Erdung)
entkoppelt. Die Stifte des Stecksockels 37 sind daher ähnlich
angeschlossen.
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b) Die AC-Massestifte auf einer Seite des Kartenanschlusses
sind gegenüber denen auf der anderen Seite um zwei Stifte
versetzt angeordnet. Daraus ergibt sich ein symmetrisches
Erdungsmuster, bei dem sich kein Signal weiter als einen Stift von
einem AC-Masseanschluß entfernt befindet.
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c) Bei der symmetrischen AC-Erdungsanordnung besteht die
Tendenz, Felder abzubauen, die von einem Signalstift abgestrahlt
werden, der sich relativ zu zwei Masseanschlüssen befindet.
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d) Signale, die gleichzeitig auf dem Bus geschaltet werden,
werden mit einer Hälfte auf der einen Seite des
Kartenanschlusses 36 und dem Stecksockel 37 und mit der anderen
Hälfte auf der anderen Seite in unmittelbarer Nähe zueinander
angeordnet. Dadurch wird die Aufhebung der Felder begünstigt.
Dies erfolgt sowohl beim Adreßbus als auch beim Datenbus.
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e) Signale mit schnellen Anstiegszeiten von hohen Frequenzen
werden an AC-Masseanschlüssen benachbart angeordnet.
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f) Der Stecksockel 37 wird auf die Hälfte des Stift-zu-Stift-
Abstands von herkömmlichen Steckverbindern verkleinert, um den
Schleifenbereich weiter zu reduzieren.
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g) Für die Audiosignale wird ein separater Masseanschluß
verwendet (nicht gezeigt), um eine Kopplung von Digital- und
Audiosignalen weitestgehend zu vermeiden. Dieser Masseanschluß
ist mit dem Digitalsignal-Masseanschluß an einem einzelnen
Punkt verbunden,
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h) Der gesamte Strom fließt nur durch die Masse der
Steckverbinder und nicht durch den rückseitigen Steckverbinder oder
durch die Kabelleitung der Stütze zurück.
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Zu beachten ist, daß eine Reduzierung um den Faktor 4 im
Schleifenbereich erforderlich ist, um eine Frequenzverdoppelung
auszugleichen. Viele der Änderungen, die im Design zur
Erzielung der og. Verbesserung vorgenommen wurden, tragen auch zu
einer einfacheren Verdrahtung und Fertigung von Karten und
Platinen bei.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von Stecksockel 37 ist in
Fig. 11-13 dargestellt; längere Anschlüsse mit einer größeren
Anzahl von Stiften können jetzt in dem Bereich verwendet
werden, der in früheren Systemen für Steckverbinder mit weitaus
weniger Signalstiften reserviert war. Ein oder mehr Paßstifte
60 innerhalb von Stecksockel 37 sind so geformt, daß sie in
passende Strukturen (nicht gezeigt) in Anschluß 36 einer
Zusatzkarte bei deren Einsatz in Stecksockel 37 aufgenommen
werden können. Diese Stifte 60 sind wichtig, um Toleranzen auf ein
Minimum zu reduzieren und um geringere Abstände zwischen den
Mittelpunkten der Kontaktstifte auf der Karte, Platine und dem
Steckverbinder zu ermöglichen, und um Kurzschlüsse zwischen den
Stiften in Stecksockel 37 durch Kontakte auf dem Anschluß 36 zu
vermeiden, wenn die Karte 27 zu sehr von einem Ende des
Anschlusses 36 zum anderen geneigt ist. Die Anschlußzungen 50 auf
Stütze 6a (Fig. 10), die sich in den Kerben 51 befinden, tragen
ebenfalls zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den
angrenzenden Stiften in Stecksockel 37 bei.
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Kontaktleitungen auf entgegengesetzten Oberflächen des
Anschlusses 36 werden mit gegenüberliegenden Kontaktdrähten oder
Stiften 61 und 62 in Stecksockel 37 zusammengesetzt, und die
unterhalb des Stecksockels 37 herausragenden,
gegenüberliegenden Enden der Stifte 61, 62 sind zur Aufnahme in
Durchkontaktierungen (nicht gezeigt) auf der Systemplatine 39 (Fig. 8)
vorgesehen.
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Unten aus dem Stecksockel 37 herausragende Paßstifte 63 werden
in zugehörige Paßbohrungen (nicht gezeigt) zur richtigen
Ausrichtung des Anschlusses und zur Erleichterung des
Einführungsvorgangs in der Platine 39 aufgenommen.