Исследование и разработка микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов

• Автор: Гусев, Станислав Валентинович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Оглавление

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современные методы проектирования микросхем для ТККГ

1.1. Основные характеристики генераторов частоты

1.2. Обзор современных прецизионных кварцевых генераторов

1.2.1 Классификация ТККГ

1.2.2 Обзор термостатированных кварцевых генераторов

1.2.3 Обзор методов проектирования ТККГ

1.3. Методы компенсации температурной зависимости ТККГ на основе микросхем

активной части

1.3.1 Микросхемы с использованием полиномиальной функции компенсации
1.3.2 Микросхемы на основе интерполирующей функции компенсации
1.4. Методы поиска параметров компенсирующей функции для микросхем с
полиномиальной функцией компенсиации
1.4.1 Трудности, возникающие при измерении ТККГ на основе микросхем и поиске
параметров компенсирующей функции
1.5. Интерфейсы программирования ТККГ
1.6. Выводы
Глава 2. Исследование и разработка архитектур и методов реализации микросхем активной части ТККГ
2.1. Постановка задачи на исследование и разработку модуля расчета
компенсирующих напряжений для микросхем активной части ТККГ
2.2. Архитектура модуля вычисления кодов компенсирующих напряжений (МВККН)
2.2.1 Общее описание архитектуры МВККН
2.2.2 Методы исследование ошибок вычислений МВККН
2.2.3 Исследование методов минимизации ошибки вычисления и выбора разрядности
регистра результата
2.2.4 Результаты исследования точности вычисления МВККН

2.3. Схемотехнические методы реализации МВККН в микросхеме активной части
ТККГ
2.4. Исследование МВККН в составе микросхемы активной части ТККГ
2.4.1 Площадь МВККН
2.4.2 Исследование функционирования МВККН в составе микросхемы активной части ТККГ
2.5. Выводы
Глава 3. Исследование и разработка методов определения параметров компенсирующей функции для микросхем активной части ТККГ
3.1. Постановка задачи
3.2. Управляющий блок на основе цифрового вычислителя полиномиальных функций
3.3. Архитектурные особенности микросхемы управляющей части ТККГ
3.4. Автоматизация измерения параметров сборки микросхема активной части генератора
кварцевый резонатор
3.5. Автоматизация поиска параметров компенсирующей функции
3.5.1 Характеризации тепловой модели ТККГ
3.5.2 Поиск оптимальных значений параметров функции компенсации
3.6. Результаты измерений и компенсации ТККГ
3.1. Выводы
Глава 4. Асинхронный последовательный интерфейс для программирования микросхем активной части ТККГ
4.1. Метод передачи данных асинхронного последовательного интерфейса
программирования ТККГ
4.2. Протокольный уровень асинхронного последовательного интерфейса
программирования ТККГ
4.3. Описание режимов работы и основных команд модуля КИП для микросхем
активной части ТККГ
4.4. Схемотехническая реализация модуля КИП
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ИС - интегральная схема.
СБИС - сверхбольшая интегральная схема.
МВККН - модуль вычисления кодов компенсирующих напряжений.
МЗВВ - модуль задания входных воздействий.
МРКФ - модуль расчета компенсирующей функции.
ПТМ - параметризованная температурная модель.
КГ - кварцевый генератор.
ТККГ-термокомпенсированный кварцевый генератор.
ЦТККГ - цифровой термокомпенсированный кварцевый генератор.
АТККГ - аналоговый термокомпенсированный кварцевый генератор.
КТККГ - комбинированный термокомпенсированный кварцевый генератор. ПЗУ - постоянное запоминающее устройство.
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
ТЧХ - температурно-частотная характеристика.
ГУН - генератор, управляемый напряжением.
МРКФ - модуль расчета компенсирующей функции.
АЦП - аналого-цифровой преобразователь.
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.
КИП - контроллер интерфейса программирования.
ПТМ - параметризованная температурная модель.
GPS - global positioning system.
PLL - phase lock loop.
PPM - Part per million

Методы термокомпенсации на основе термочувствительных элементов и табличные методы компенсации не удовлетворяют современным требованиям к температурной и долговременной стабильности выходной частоты ТККГ. В настоящее время наибольшее распространение имеют ТККГ на основе расчета функции термокомпенсации аналоговым или цифровым способом.
Анализ литературы показывает, что основными методами задания функции термокомпенсации может быть либо полиномиальная реализация компенсирующей функции, либо интерполяционная. Структура ТККГ в этих случаях будет различна.
1.3.1 Микросхемы с использованием полиномиальной функции компенсации
В настоящее время реализация модуля вычисления полиномиальной компенсирующей функции является наиболее распространенным решением при проектировании ТККГ. Суть метода заключается в представлении компенсирующей функции в виде полинома [50],[40],[41]. Собственная ТЧХ кварца может быть аппроксимирована полиномом 3-й степени. Однако ввиду не идеальной ТЧХ кварца и под влиянием других компонентов системы результирующая компенсирующая функция должна быть описана полиномами больших степеней. В настоящее время применяются полиномиальные функции компенсации до 7 степени [50]. Коэффициенты при степенях полинома при этом параметризованы.
На рисунке 1.8 представлена структура АТККГ с модулем расчета полиномиальной функции компенсации на основе аналоговой схемотехники. Температура с датчика температуры поступает на аналоговый вычислитель полиномиальной функции. При этом, коэффициенты при степенях записываются в ПЗУ после исследования температурной зависимости конкретного кристалла и определения