Диплом Исследование и разработка микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов (диссертация), номер: 265456

Оглавление
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Современные методы проектирования микросхем для ТККГ 11
1.1. Основные характеристики генераторов частоты 11
1.2. Обзор современных прецизионных кварцевых генераторов 15
1.2.1 Классификация ТККГ 16
1.2.2 Обзор термостатированных кварцевых генераторов 18
1.2.3 Обзор методов проектирования ТККГ 21
1.3. Методы компенсации температурной зависимости ТККГ на основе микросхем активной части 34
1.3.1 Микросхемы с использованием полиномиальной функции компенсации 35
1.3.2 Микросхемы на основе интерполирующей функции компенсации 37
1.4. Методы поиска параметров компенсирующей функции для микросхем с полиномиальной функцией компенсиации 38
1.4.1 Трудности, возникающие при измерении ТККГ на основе микросхем и поиске параметров компенсирующей функции 39
1.5. Интерфейсы программирования ТККГ 40
1.6. Выводы 40
Глава 2. Исследование и разработка архитектур и методов реализации микросхем активной части ТККГ 42
2.1. Постановка задачи на исследование и разработку модуля расчета компенсирующих напряжений для микросхем активной части ТККГ 42
2.2. Архитектура модуля вычисления кодов компенсирующих напряжений (МВККН) 45
2.2.1 Общее описание архитектуры МВККН 45
2.2.2 Методы исследование ошибок вычислений МВККН 49
2.2.3 Исследование методов минимизации ошибки вычисления и выбора разрядности регистра результата 55
/
2.2.4 Результаты исследования точности вычисления МВККН 58 
2.3. Схемотехнические методы реализации МВККН в микросхеме активной части ТККГ 62
2.4. Исследование МВККН в составе микросхемы активной части ТККГ 68
2.4.1 Площадь МВККН 68
2.4.2 Исследование функционирования МВККН в составе микросхемы активной части ТККГ. 69
2.5. Выводы 71
Глава 3. Исследование и разработка методов определения параметров компенсирующей функции для микросхем активной части ТККГ 72
3.1. Постановка задачи 72
3.2. Управляющий блок на основе цифрового вычислителя полиномиальных функций 76
3.3. Архитектурные особенности микросхемы управляющей части ТККГ 79
3.4. Автоматизация измерения параметров сборки микросхема активной части генератора - кварцевый резонатор 80
3.5. Автоматизация поиска параметров компенсирующей функции 86
3.5.1 Характеризации тепловой модели ТККГ 87
3.5.2 Поиск оптимальных значений параметров функции компенсации 89
3.6. Результаты измерений и компенсации ТККГ 94
3.1. Выводы 102
Глава 4. Асинхронный последовательный интерфейс для программирования микросхем активной части ТККГ ЮЗ
4.1. Метод передачи данных асинхронного последовательного интерфейса программирования ТККГ 104
4.2. Протокольный уровень асинхронного последовательного интерфейса программирования ТККГ 106
4.3. Описание режимов работы и основных команд модуля КИП для микросхем активной части ТККГ 108
4.4. Схемотехническая реализация модуля КИП 114
4.5. Выводы 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
ЛИТЕРАТУРА 120

ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. И., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984, 232 с.
2. Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты. -М.: Связь, 1974, 276 с.
3. Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — М.:Связь, 1975, 304 с.
4. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н.Н., Завьялов В.Д. Цифровая компенсация температурной нестабильности частоты кварцевых генераторов. //Техника средств связи, сер. ТРС, вып. 7, 1981, с. 139-145.
5. Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974, 376 с.
6. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые генераторы. - М.: Радио и связь, 1974, 232 с.
7. Семиглазов AM. Кварцевые генераторы. - - М.: Радио и связь, 1974, 272 с.
8. Frerking М.Е. Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation. - N.Y., Van Nostrand, 1978.
9. Земляков В.Л. Проектирование и исследование пьезоэлектрических кварцевых генераторов. - Ростов-на-дону, 2009, 28 с.
10. Ramon М. Cerda. Understanding TCXOs//Microware product digest.- April, 2005,- p. 42
11. Сердюков C.H., Исследование и разработка методов повышения качества и надежности пьезоэлектрических резонаторов. - Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, Москва, 2010.
12. Ballato A. Temperature compensated crystal oscillator (TCXO) design aids: frequency-temperature resonator characteristics as shifted by series capacitors .- US Research and development technical report ADA041075.- USA, New Jersey,- 1977.
13. Kai-Steffen Jens Hielscher. Measurment-Based Modeling of Distributed Systems. Erlangen, 2008.
14. D. Li, J. Nielsen, G. Lachapelle, ""Phase Coherency of CDMA Caller Location Processing Based on TCXO Frequency Reference with Intermittent GPS Correction""// Proceedings of Wireless, Calgary, Canada. -2005.
15. Yogesh Tugnawat, William Kuhn. Low Temperature Performance of COTS Electronic Components for Future MARS Missions// 12th NASA Symposium on VLSI Design, Coeur d'Alene, Idaho, USA, Oct. 4-5, 2005.,-pp.1-9.
16. Larry D. Vittorini, Brent Robinson. Receiver Frequency Standards Optimizing Indoor GPS Performance. // GPS World.,-2003.-pp.40-48.
17. Тумайкин Д. Прецизионный термометр на основе пьезочастотных датчиков температуры для промышленного применения. //Современная электроника.-№6.-2006.-сс. 56 -57.
18. А.С. № 1084938 (СССР). Термокомпенсированный кварцевый генератор. Багаев В.П., Косых А.В, Лепетаев А.Н. Опубликовано в Б.И. № 13, 1984
19. Deno S., Hahnlen С, Landis D., Aurand R. A Low Cost Microcontroller Compmsated Crystal Oscillator. //Proc. of the 1997 IEEE International Frequency Control Symposium. 28-30 May 1997, Orlando, Flofida, U.S.A., pp. 954 -958.
20. Kosykh A. V, Lepetaev A. N. Algorithmic optimization of spectral and temperature characteristic of MTCXO. //Proc. 2003 IEEE International Frequency Control Symposium, Tampa, Florida, USA, 2003, pp. 450 - 457.
21. Kosykh A., Bagaev V., lonov В., Lepetaev A., Zavjalov S., Vasiliev A. The New Method of statistic Piecewise-Linear Interpolation and its Application to DTCXO Creation. //Proc. 47""A Annual Frequency Control Symposium. Salt Lake City, USA, 1993, pp. 687-697.
22. Zhou W., Wang Y., Bai L., Chen C, Zhou H., Liu C, Li J., Jia J. A MCXO test system and its function in MCXO performances. //Proc. 2001 Joint Meeting FTF-IEEE IFCS. Pp. 794 - 798.
23. Патент № 2366038 (РФ). Способ изготовления кварцевых резонаторов м линейной температурно-частотной характеристикой.// Дронов-Дувалджи Н. Д., Полубесов Г. С., - 2006 г.
24. Вороховский Я. Прецизионные кварцевые генераторы и генераторы для современных радиоэлектронных комплексов.// Электроника: наука, технологии, бизнес. - №1. - 2010. - сс.34 - 38.
25. Масаки Ямашита. Новые кварцевые генераторы фирмы Daishinku для мобильной связи и GPS-навигации. //chip news.- №9(133).- 2008.-с.45-47
26. Белов Л. Кварцевые генераторы и фильтры компании vectron international. // Электроника: наука, технологии, бизнес. -№2.-2007.-ее.46- 54.
27. Гусев А. Современные кварцевые генераторы компании Rakon// Компоненты и технологии. - №10. - 2006. - сс.46 - 54.
28. Яковлев С., Ильичев В. Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы - базовые модели и их развитие. // Chip News. - №1(843).- 2004,- сс. 48 - 52.
29. Савишкин В. Термостатированные кварцевые генераторы с температурной компенсацией. // Chip News. - №2(105).- 2006.- сс. 44-46.
30. Харди Н. ИС кварцевого генератора с температурной компенсацией. // Chip News. - №6(109).- 2006,- сс. 36-37.
31. Белов Л. Кварцевые генераторы со сверхнизким уровнем фазового шума компании pascal electronics.// Электроника: наука, технологии, бизнес. - №5. - 2009. - сс.52 - 53.
32. Белов Л. Синтезаторы стабильных частот.// Электроника: наука, технологии, бизнес. - №3. - 2004. - сс.38 - 44.
33. Георгий Кон. Технологии стабилизации частоты Rakon: от истоков телекома к вершинам радионавигации//Электронные компоненты. - №11. -2008. -СС.1 -3.
34. Ali Hajimiri. A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators // IEEE Journal of solid-state circuits,. - vol. 33.- №2,- 1998.-pp. 179¬194
35. Patrik Larsson. Measurements and Analysis of PLL Jitter Caused by Digital Switching Noise.// IEEE, Journal of solid-state circuits,. - vol. 36.- №7.- 2001.-pp.1113-1119.
36. Behzad Razavi, A Study of Phase Noise in CMOS Oscillators.// IEEE, Journal of solid-state circuits,, - vol. 31.- №3,- 1996.-pp.331-343.
37. Thomas H. Lee, Oscillator Phase Noise: A Tutorial.// IEEE, Journal of solid-state circuits,. - vol. 35,- №3,- 2000.-pp.326-336.
38. Лепетаев A.H., Улучшение спектра выходного сигнала кварцевых генераторов с цифровой компенсацией путем оптимизации системы кварцевый резонатор - синтезатор компенсирующей функции. - Омский Государственный Технический Университет, ОМСК, 2007.
39. Takehiko A. A Realization Method of CMOS Temperature Characteristics Compensation Circuit for TCXO.//Papers of Technical Meeting on Electronic Circuits. - 2005 . - Vol. ECT-05. - no. 56-59, - pp. 13-18.
40. Achenbach, R. Feuerstack-Raible, M. Hiller, F. Keller, M. Meier, K. Rudolph, H. Saur-Brosch, R., A digitally temperature-compensated crystal oscillator. // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2000. - Vol. 35. - N 10. - P. 1502- 1506.
41. Dupont F., Stellmacher M., Camut D., «ARMMS,» в High Stability Microcontroller Compensated Crystal Oscillator, Northamptonshire, 2009.
42. Mark A. Haney. Design Technique for Analog Temperature Compensation of Crystal Oscillators. - Blacksburg, Virginia, 2001.
43. Wei Zhou, Hui Zhou, Zongqiang Xuan, Wenqing Zhang. Comparison Among Precision Temperature Compensated Crystal Oscillators.// IEEE Frequency Control Symposium and Exposition, - 2005. .- p. 5.
44. US Patent № 5,777,524, Temperature compensation circuit for a crystal oscillator and associated circuitry / Carl E. Wojewoda, James F.Caruba, Richard N. Sutliff, - 1998.
45. Minkyu Je, Kyungmi Lee, Joonho Gil, Hoi-Jun Yoo Hyungcheol Shin. Design of a Temperature-Compensated Crystal Oscillator Using the New Digital Trimming Method //.Journal of the Korean Physical Society,- Vol. 37, No. 6,¬2000,- pp. 822_827.
46. Хоменко И.В., Косых А.В., Мейер В.П. Цифровая температурная компенсация в кварцевых генераторах. //Успехи современной радиоэлектроники. - №11 . - 2011г..- сс. 67-70.
47. А.Н. Лепетаев, А.В. Косых, С.А. Завьялов, К.В. Мурасов. Интегральный ASIC кварцевый генератор с гибридной аналого-цифровой температурной компенсацией.// Омский научный вестник. - №3. - 2011. - СС.294-299.
48. DS4026 datasheet, Maxim integrated products, www.maxim-ic.com
49. MAS6279 datasheetjvlicro Analog Systems Oy, www.mas-ov.com
50. Lam C.S., Chiang C.W. Development of Miniaturized Analog and Digital Temperature Compensated Crystal Oscillators. - TXC Corporation, Ping Cheng City, Taoyuan County, Taiwan
51. A.C. № 243877 (СССР). Устройство для стабилизации частоты генераторов./А.Н. Дикиджи, J1.I1I. Дикиджи, J1.E. Ивлев, B.C. Теренько. - Опубл. В. Б.И., 1969, №17.
52. А.С. № 1241406 (СССР). Устройство для термокомпенсации кварцевого генератора /А.Н. Лепетаев, А.В. Косых, А .Я. Муляр. -Опубл. В. Б.И., 1986, №24.
53. Багаев В.П., Косых А.В., Лепетаев А.Н., Ионов Б.П., Завьялов С.А. Прецизионный кварцевый генератор с цифровой термокомпенсацией.// ""Радиотехнические пьезоэлектрические устройства"". Межвузовский сборник научных трудов.- Омск.- 1990.- сс.28-34.
54. Kroupa V.F., Stursa J., Cizel V., Svanova H. Direct digital Frequency Sinthesizers with the Е-Д arrangement in the PLL systems.//Proc. Of the 2001 IEEE international frequencu control symposium. 6-8 june 2001, Seatle, Washington, USA, pp 799-805.
55. Stofanic V., Balaz I., Miranic M., Digitally temperature compensated DDS.//Proc. Of the 2001 IEEE international frequencu control symposium. 6-8 june 2001, Seatle, Washington, USA, pp 816-819.
56. Taslakov M. Direct digital Sinthesizer with quasi continuous temperature compensation. //Proc. Of the 2001 IEEE international frequencu control symposium. 6-8 june 2001, Seatle, Washington, USA, pp 811-815.
57. Мурасов K.B., Косых A.B., Хоменко И.В. Применение генераторов термокомпенсирующей функции при разработке стабильных источников опорных колебаний на основе кварцевых резонаторов.//Высокие технологии и фундаметальные исследования. Т.4: сборник трудов десятой международной научно-практической конференции ""Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности"".- Санкт- Петербург.-Изд-во политехнического университета.-2010.-424 с.
58. Гусев С.В., Алексеев A.A., Шумилин С.С. Новый интерфейс передачи данных для программирования интегральных микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов. //Естественные и технические науки.-№4.-2011 ,-сс. 545-547.
59. Де Бур К. Практическое руководство по сплайнам.-М:Радио и связь, 1985, 303 с.
60. Банди Б. Основы линейного программирования. .-М.Радио и связь, 1989, 145 с.
61. Дж. Апберг, Э. Нельсон, Дж. Уолш. Теория сплайнов и ее приложения. - М: Мир, 1972, 319 с.
62. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. - М:Наука, 1980, 353 с.
63. Стечкин С.Б., Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной математике. - М:Наука, 1976, 248 с.
64. Лунгу К. Н. Линейное программирование. Руководство к решению задач. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, 128 с.
65. Булдаев A.C. Прямые методы решения задачи линейного программирования. - Иркутск, 2000. 25 с.
66. Палий И. А. Линейное программирование. Учебное пособие — М.: Эксмо, 2008. — 256 с.
67. Гусев C.B. «Модуль вычисления компенсирующих напряжений для микросхем термокомпенисированных кварцевых генераторов» // «Естественные и технические науки»,», №5, 2012.
68. Алексеев A.A., Гусев C.B., Шумилин С.С., «Использование GALS-архитектуры с динамическим управлением синхросигналами для повышения энергоэффективности цифровых устройств» // «Известия высших учебных заведений. Электроника», №4,2011, с. 45-50.
69. Алексеев A.A., Гусев C.B., Шумилин С.С., «Новый интерфейс передачи данных для программирования интегральных микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов»// «Естественные и технические науки», №4,2011, с. 545-547.
70. Алексеев A.A., Гусев C.B., Шумилин С.С., «Метод формирования тестовых воздействий для измерений и тестирования систем на кристалле» // «Естественные и технические науки», №4,2011, с. 543-544.
71. Гусев C.B. «Двухъядерный микроконтроллер компании «Миландр» для высоконадежных применений.» // «Электронные компоненты», №7,2011, с.34-36.
72. Гусев С., Шумилин С. «Реализация многозадачных приложений на МК серии 1886.»// «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес.» №6 2009. с. 46-51.
73. Гусев C.B., Глебов А.Л., Загорулько Е.А., Орищенко М.В., Савченко В.Ю. «Исследование принципов и методов синхронной и асинхронной обработки информации в системах на кристалле (СнК) с наноразмерными элементами.» Отчет по НИР «Исследование принципов и методов синхронной и асинхронной обработки данных в системах на кристалле (СнК) с наноразмерными элементами.» № 01200954684. Научный руководитель Ермак В.В.. Разд. 1, 4, 5. заключение. Москва, 2010.
74. Gusev Stanislav, Asynchronous circuits as alternative digital computing.// Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School. Moscow. 2011.
75. С.Гусев. Сравнительное исследование свойств синхронной и самосинхронной реализации схемы параллельного умножителя в типичном режиме работы. //Сборник материалов международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам ""Научному прогрессу - творчество молодых"",ИО, МарГТУ,2010,с. 210.
76. Гусев С.В., Алексеев А.А. «Методы повышения энергоэффективности систем на кристалле на примере микроконтроллера 1901ВЦ1Ф». //Сборник тезисов докладов международной научно- технической конференции с элементами научной школы для молодежи. «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», Москва, МИЭТ, 2010, с. 32
77. С.Гусев, В.Ермак. Анализ эффективности реализации параллельного умножителя на основе синхронной и самосинхронной схемотехники.//Тезисы докладов 17-й Всероссийской межвузовской научно- технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2010», Москва, МИЭТ, 2010, с.69.
78. Гусев С.В. Алгоритм увеличения быстродействия аппаратного умножителя.// Тезисы докладов четырнадцатой международной научно- технической конференции студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2008, сс.334-335.
79. Гусев С.В. Сравнительный анализ синхронных и асинхронных методов управления потоками данных в цифровых схемах.// Тезисы докладов 18-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, МИЭТ, 2011, с.71.
80. Гусев С.В. Организация взаимодействия микропроцессорных ядер в глобально-асинхронных, локально синхронных системах. //Сборник материалов международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам ""Научному прогрессу - творчество молодых"", ИО, МарГТУ,2011,с. 133.
81. Andrew D. Booth. A signed binary multiplication technique.//The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Volume IV, Pt. 2, 1951, pp. 236-240.
82. Ингерман М.И., Фромберг Э.М., Грабой Л.П. Термостатирование в технике и связи. - Москва, 1979, 144с.
83. Апьтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г., Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы. - М: Связь, 1979, 160 с.
84. The l2C-bus specification. Version 2.1. // Philips semiconductor, document order number: 9398 393 40011, 2000.
85. J. Sparco, S. Furber. Principles of asynchronous circuit design - A system perspective. - Kluwer academic publishers, 2001.
86. Jacobson H. Asynchronous circuit design. A case study of a dramework called ack. - Department of Computer Engineering, Lulea University of Technology, 1996.
87. Hauck S. Asynchronous Design Methodologies: An Overview.// Proceedings of the IEEE, Vol. 83, No. 1, pp. 69-93, 1995.
88. Christian D. Evaluation of function block for asynchronous design. // Proceeding of the conference on European design automation, pp. 454-459.
89. I.E. Sutherland. Micropipelines. //Magazine Communications of the ACM, volume 32, issue 6, 1989
90. E. Keller. Building asynchronous circuits with JBits.// Lectures Notes in Computer Science, Springer-verlag GmbH.
91. Соколов И. А., Степченков Ю. А., Петрухин В. С., Дьяченко Ю. Г., Захаров В. Н. Самосинхронная схемотехника - перспективный путь реализации аппаратуры. // Наукоёмкие технологии. - 2007. - №5-6. - С. 61¬73
92. Myers C.J. Asynchronous Circuit Design // John Wiley &. Sons. - New York, 2001.
93. Davis A., Nowick. S.M. An introduction to asynchronous circuit design. / Kent A. Williams J.G // The Encyclopedia of Computer Science and Technology.- New York : Marcel Dekker, 1998,-Vol. 38
94. Brzozowsky J.A, Seager C.-J.H. Asynchronous Circuits. // Monographs in Computer Science. - 1994 : Springer Verlag.
95. Руткевич А., Стешенко В., Строганов Д., Шишкин Г., Самосинхронная электроника: направления развития. //Электроника: наука, технологии, бизнес. №8, 2009.
96. Бумагин А., Гондарь А., Куляс М., Стешенко В., Руткевич А.,Тайлеб М., Шишкин Г., Самосинхронные схемы. Принципы построения и элементная база. //Компоненты и технологии. №10, 2009.
97. Muller D. Е., Bartky W. S., A Theory of Asynchronous Circuits.// Proceeding of Int'l Symposium Theory of Switching, Part 1, Harvard University Press, pp. 204-243.
98. Брусенцов Н.П., Владимирова Ю.С. Компьютеризация булевой алгебры //Доклады Академии Наук. - 2004. -№1. - С. 7-10
99. J. Teichmann, К. Burger, W. Hasche, J.Herrfurth, G. Taschner. One time programming (OPT) with Zener diods in CMOS processes. //European Solid-state device research.- 2003.-pp. 433 -436.
100. Donald T. Cormer. Zener Zap Anti-Fuse Trim in VLSI Circuits// Hindawi publishing corporation.- VLSI Design.-Volume 5, issue 1.-pp. 89-100.¬1996.
101. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. Определения теоремы формулы. //Издание пятое. М.:Наука, 1984.
102. Ярославский М. И., Смагин А. Г. Конструирование, изготовление и применение кварцевых резонаторов. — М. : Энергия, 1971.
103. Плонский А. Ф. и др. Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца. — М.: Связь, 1969.
104. Грановский P.A., Постников И.И., Добычина Е.М., Ельцов А.К. Расчет кварцевых генераторов. - М.:МАИ, 1999.
105. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы М.: Наука, 1989.
106. Калиткин H.H. Численные методы. - М.: Наука, 1978.
107. Схрейвер А. Теория линейного и целочисленного программирования. - М.:Мир, 1991.