抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法。其包括：建立晶振的動力學(xué)模型；根據(jù)功率譜曲線對晶振的管腳半徑、管腳安裝位置、振動頻率范圍和振動量級進(jìn)行設(shè)置，利用有限元分析軟件對動力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析和譜分析；對晶振進(jìn)行隨機(jī)振動試驗，記錄輸入?yún)?shù)以及試驗結(jié)果；將動力學(xué)狀態(tài)值、位移、固有頻率作為擬合輸入?yún)?shù)，將器件等效參數(shù)作為擬合輸出參數(shù)，構(gòu)建二次多項式擬合模型；利用電路分析軟件構(gòu)建基于器件等效參數(shù)的振蕩電路的相位噪聲分析系統(tǒng)；利用相位噪聲分析系統(tǒng)對二次多項式擬合模型進(jìn)行優(yōu)化，得到數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；通過數(shù)學(xué)優(yōu)化模型確定在工藝上是否存在可行解。本發(fā)明能夠指導(dǎo)在苛刻振動條件下晶振的機(jī)電集成設(shè)計。
【專利說明】抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、電子對抗等系統(tǒng)中，各種電子設(shè)備的可靠工作均是以高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)頻率源為保證的，晶振(晶體振蕩器的簡稱)模塊作為精密時頻計量的核心部件，發(fā)揮著不可替代的作用。然而，晶振模塊的工作環(huán)境往往非常復(fù)雜，尤其是受到振動、離心和沖擊作用而產(chǎn)生加速度時，晶振的輸出會發(fā)生頻率抖動、相噪惡化的現(xiàn)象，嚴(yán)重時會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，所以上述因素對晶體振蕩器的晶體裝夾工藝及后續(xù)的每個環(huán)節(jié)都提出了苛刻的要求。晶振在振動環(huán)境下的相位噪聲同時受到晶體的磨削設(shè)計、引腳的裝夾工藝、晶振本身的加速度靈敏度、晶振的中心頻率、振動環(huán)境的頻率和強(qiáng)度的影響。因此，研究抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法，已經(jīng)成為當(dāng)前的迫切需求。
[0003]為了滿足系統(tǒng)對晶振的設(shè)計要求，目前主要的提高晶振的環(huán)境適應(yīng)性的方法有調(diào)整打磨工藝、優(yōu)化裝架方式、改進(jìn)點膠工藝等，目前行業(yè)內(nèi)仍然主要依靠提高晶體裝架強(qiáng)度的方式來提升晶振的固有頻率，以達(dá)到避免晶體的諧振頻率遠(yuǎn)離隨機(jī)振動頻率的頻段外的目的。這種設(shè)計理念原則上是正確的，但事實上，由于晶振的加工工藝很難得到本質(zhì)上的提升，裝夾強(qiáng)度的加強(qiáng)也是有極限的，隨著裝夾管腳的增加，固有頻率的提升已經(jīng)難以取得顯著的效果，因此，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)直接影響到后期的晶振的應(yīng)用效果。而實際的工程實踐已經(jīng)證明，一味的提高晶體結(jié)構(gòu)的一階固有頻率已經(jīng)不能滿足電子系統(tǒng)對晶振復(fù)雜振動環(huán)境下的相位噪聲惡化的苛刻要求。
[0004]另一方面，傳統(tǒng)的頻率源系統(tǒng)的設(shè)計一般脫離其核心器件——晶振，而孤立進(jìn)行，并沒有考慮晶振振動環(huán)境的應(yīng)力弛豫現(xiàn)象對頻率源系統(tǒng)電氣性能指標(biāo)的內(nèi)在影響。綜上所述，目前的晶振的器件級設(shè)計不能滿足航空電子裝備極端環(huán)境的使用要求，不足以滿足當(dāng)前對晶振日益苛刻的工作要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對上述存在的問題，提供一種抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法，能夠指導(dǎo)在苛刻振動條件下晶振的機(jī)電集成設(shè)計。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:提供一種抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法，包括:建立晶振的動力學(xué)模型并根據(jù)晶振的實際振動情況得到功率譜曲線；根據(jù)所述功率譜曲線對晶振的管腳半徑R、管腳安裝位置P、振動頻率范圍f和振動量級G進(jìn)行設(shè)置，利用有限元分析軟件對所述動力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到晶振的固有頻率和模態(tài)信息，以及對所述動力學(xué)模型進(jìn)行譜分析，得到晶振的位移信息和應(yīng)力狀態(tài)；將晶振置于不同的裝夾方式下進(jìn)行隨機(jī)振動試驗，記錄隨機(jī)振動試驗的輸入?yún)?shù)R、P、f、G以及試驗結(jié)果，所述試驗結(jié)果包括晶振的動力學(xué)狀態(tài)值σ、位移Φ、固有頻率fQ以及相位噪聲惡化值ei ;將動力學(xué)狀態(tài)值σ、位移Φ、固有頻率fo作為擬合輸入?yún)?shù)，將器件等效參數(shù)作為擬合輸出參數(shù)，根據(jù)所述擬合輸入?yún)?shù)和擬合輸出參數(shù)構(gòu)建二次多項式擬合模型，所述器件等效參數(shù)包括晶振的品質(zhì)因素Q、等效電阻R和等效電容C ;利用電路分析軟件構(gòu)建基于器件等效參數(shù)的振蕩電路的相位噪聲分析系統(tǒng)；以提高電氣性能指標(biāo)為目標(biāo)，利用所述相位噪聲分析系統(tǒng)對所述二次多項式擬合模型進(jìn)行優(yōu)化，得到數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；根據(jù)不同的工況和電氣性能指標(biāo)要求，通過所述數(shù)學(xué)優(yōu)化模型確定在工藝上是否存在可行解。
[0007]優(yōu)選地，所述機(jī)電集成設(shè)計方法還包括:如果存在可行解，則根據(jù)所述可行解對晶振進(jìn)行機(jī)電集成設(shè)計。
[0008]優(yōu)選地，所述機(jī)電集成設(shè)計方法還包括:如果不存在可行解，則給出掣肘電氣性能指標(biāo)的影響因素。
[0009]優(yōu)選地，所述數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為:
[0010]FindiTilXilYi

NS
[0011]Min: / = Σ^ΔΡν


?=1
[0012]s.t.:ff ^ W0
[0013]V ^ V0
[0014]cr =max(^)<^]
[0015]i = I, 2,...., NE
[0016]s= 1，2，...，NS
[0017]其中，APs表示第s個工況下的相位噪聲惡化值，Wtl表示質(zhì)量上限，Vtl表示所占體積上限，[σ ]表示應(yīng)力極限，NE表示管腳數(shù)，NS表示工況數(shù)。
[0018]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:結(jié)合電氣特性對晶振的應(yīng)力弛豫現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，突破傳統(tǒng)的通過提升晶體一階固有頻率來改善抗振特性的設(shè)計方法，將結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、等效電路分析及機(jī)電耦合計算集成實現(xiàn)，以此指導(dǎo)在苛刻振動條件下晶振的機(jī)電集成設(shè)計。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0020]圖1是本發(fā)明實施例的抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法的流程示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明實施例的抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法所有可行解構(gòu)成的可行域的示意圖。

【具體實施方式】
[0022]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0023]本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0024]如圖1所示，是本發(fā)明實施例的抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法的流程示意圖。本發(fā)明實施例的機(jī)電集成設(shè)計方法包括
[0025]S1:建立晶振的動力學(xué)模型并根據(jù)晶振的實際振動情況得到功率譜曲線。
[0026]其中，可以利用ANSYS 的 APDL(ANSYS Parametric Design Language, ANSYS 參數(shù)化設(shè)計語言)模塊對動力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)化，并生成一個APDL命令文件。
[0027]功率譜曲線是晶振在實際振動情況下得到的，可以作為動力學(xué)分析輸入條件。
[0028]S2:根據(jù)功率譜曲線對晶振的管腳半徑R、管腳安裝位置P、振動頻率范圍f和振動量級G進(jìn)行設(shè)置，利用有限元分析軟件對動力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到晶振的固有頻率和模態(tài)信息，以及對動力學(xué)模型進(jìn)行譜分析，得到晶振的位移信息和應(yīng)力狀態(tài)。
[0029]具體而言，將APDL命令文件導(dǎo)入有限元分析軟件中，并根據(jù)功率譜曲線在APDL命令文件的相應(yīng)的參數(shù)化模塊中進(jìn)行管腳半徑R、管腳安裝位置P、振動頻率范圍f和振動量級G等參數(shù)的設(shè)置。振動頻率范圍f的兩個端點值為和f2。
[0030]其中，位移信息和應(yīng)力狀態(tài)為隨機(jī)載荷的動力響應(yīng)。
[0031]S3:將晶振置于不同的裝夾方式下進(jìn)行隨機(jī)振動試驗，記錄隨機(jī)振動試驗的輸入?yún)?shù)R、P、f、G以及試驗結(jié)果，試驗結(jié)果包括晶振的動力學(xué)狀態(tài)值σ、位移Φ、固有頻率以及相位噪聲惡化值ei。
[0032]其中，晶振的裝夾方式因管腳半徑和管腳安裝位置的不同而不同。
[0033]S4:將動力學(xué)狀態(tài)值σ、位移Φ、固有頻率fQ作為擬合輸入?yún)?shù)，將器件等效參數(shù)作為擬合輸出參數(shù)，根據(jù)擬合輸入?yún)?shù)和擬合輸出參數(shù)構(gòu)建二次多項式擬合模型，器件等效參數(shù)包括晶振的品質(zhì)因素Q、等效電阻R和等效電容C。
[0034]其中，二次多項式擬合模型為動力學(xué)狀態(tài)值和器件等效參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。
[0035]S5:利用電路分析軟件構(gòu)建基于器件等效參數(shù)的振蕩電路的相位噪聲分析系統(tǒng)。
[0036]S6:以提高電氣性能指標(biāo)為目標(biāo)，利用相位噪聲分析系統(tǒng)對二次多項式擬合模型進(jìn)行優(yōu)化，得到數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。
[0037]其中，數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為:
[0038]FindiTilXilYi

NS
[0039]Min: f = Yjx 風(fēng)

x=l
[0040]s.t.:ff ^ W0
[0041]V ^ V0
[0042]= ιπΗχ(σ:) < [σ]
[0043]i = 1，2，____, NE
[0044]S= I, 2, , NS
[0045]其中，APs表示第s個工況下的相位噪聲惡化值，Wtl表示質(zhì)量上限，Vtl表示所占體積上限，[σ ]表示應(yīng)力極限，NE表示管腳數(shù)，NS表示工況數(shù)。
[0046]S7:根據(jù)不同的工況和電氣性能指標(biāo)要求，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化模型確定在工藝上是否存在可行解。
[0047]其中，所有可行解組成的集合為可行域，可行域如圖2所示，圖中f為數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，X為數(shù)學(xué)優(yōu)化模型的解。從可行域可以看出數(shù)學(xué)優(yōu)化模型存在可行解和不可行解。
[0048]在本實施例中，本發(fā)明實施例的機(jī)電集成設(shè)計方法還包括:
[0049]S8:如果存在可行解，則根據(jù)可行解對晶振進(jìn)行機(jī)電集成設(shè)計。通過可行解可以指導(dǎo)在苛刻振動條件下晶振的機(jī)電集成設(shè)計。
[0050]S9:如果不存在可行解，則給出掣肘電氣性能指標(biāo)的影響因素。該影響因素可以反過來指導(dǎo)機(jī)電集成設(shè)計方案的修改。
[0051]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權(quán)利要求】
1.一種抗振晶振的機(jī)電集成設(shè)計方法，其特征在于，包括: 建立晶振的動力學(xué)模型并根據(jù)晶振的實際振動情況得到功率譜曲線； 根據(jù)所述功率譜曲線對晶振的管腳半徑R、管腳安裝位置P、振動頻率范圍f和振動量級G進(jìn)行設(shè)置，利用有限元分析軟件對所述動力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到晶振的固有頻率和模態(tài)信息，以及對所述動力學(xué)模型進(jìn)行譜分析，得到晶振的位移信息和應(yīng)力狀態(tài)；將晶振置于不同的裝夾方式下進(jìn)行隨機(jī)振動試驗，記錄隨機(jī)振動試驗的輸入?yún)?shù)R、P、f、G以及試驗結(jié)果，所述試驗結(jié)果包括晶振的動力學(xué)狀態(tài)值σ、位移Φ、固有頻率以及相位噪聲惡化值ei ； 將動力學(xué)狀態(tài)值σ、位移Φ、固有頻率&作為擬合輸入?yún)?shù)，將器件等效參數(shù)作為擬合輸出參數(shù)，根據(jù)所述擬合輸入?yún)?shù)和擬合輸出參數(shù)構(gòu)建二次多項式擬合模型，所述器件等效參數(shù)包括晶振的品質(zhì)因素Q、等效電阻R和等效電容C ； 利用電路分析軟件構(gòu)建基于器件等效參數(shù)的振蕩電路的相位噪聲分析系統(tǒng)； 以提高電氣性能指標(biāo)為目標(biāo)，利用所述相位噪聲分析系統(tǒng)對所述二次多項式擬合模型進(jìn)行優(yōu)化，得到數(shù)學(xué)優(yōu)化模型； 根據(jù)不同的工況和電氣性能指標(biāo)要求，通過所述數(shù)學(xué)優(yōu)化模型確定在工藝上是否存在可行解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電集成設(shè)計方法，其特征在于，所述機(jī)電集成設(shè)計方法還包括: 如果存在可行解，則根據(jù)所述可行解對晶振進(jìn)行機(jī)電集成設(shè)計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電集成設(shè)計方法，其特征在于，所述機(jī)電集成設(shè)計方法還包括: 如果不存在可行解，則給出掣肘電氣性能指標(biāo)的影響因素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電集成設(shè)計方法，其特征在于，所述數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為: FindiTilXilYi
NS Min: / = ^ asAP

x=l
s.t.:ff ( W0
V^V0 <ax =服Χ(σ;) < [σ] i = 1，2，.…，NE s = 1，2，…，NS 其中，Λ Ps表示第s個工況下的相位噪聲惡化值，Wtl表示質(zhì)量上限，Vtl表示所占體積上限，[σ ]表示應(yīng)力極限，NE表示管腳數(shù)，NS表示工況數(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK104281757SQ201410592517
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】冷國俊, 陳晉吉, 李洋, 保宏, 陳睿, 祁成武, 何著 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所