CN104281757A - 抗振晶振的机电集成设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗振晶振的机电集成设计方法。其包括：建立晶振的动力学模型；根据功率谱曲线对晶振的管脚半径、管脚安装位置、振动频率范围和振动量级进行设置，利用有限元分析软件对动力学模型进行模态分析和谱分析；对晶振进行随机振动试验，记录输入参数以及试验结果；将动力学状态值、位移、固有频率作为拟合输入参数，将器件等效参数作为拟合输出参数，构建二次多项式拟合模型；利用电路分析软件构建基于器件等效参数的振荡电路的相位噪声分析系统；利用相位噪声分析系统对二次多项式拟合模型进行优化，得到数学优化模型；通过数学优化模型确定在工艺上是否存在可行解。本发明能够指导在苛刻振动条件下晶振的机电集成设计。

Description

抗振晶振的机电集成设计方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是一种抗振晶振的机电集成设计方法。

背景技术

在通信、导航、雷达、电子对抗等系统中，各种电子设备的可靠工作均是以高准确度、高稳定性的基准频率源为保证的，晶振(晶体振荡器的简称)模块作为精密时频计量的核心部件，发挥着不可替代的作用。然而，晶振模块的工作环境往往非常复杂，尤其是受到振动、离心和冲击作用而产生加速度时，晶振的输出会发生频率抖动、相噪恶化的现象，严重时会产生灾难性的后果，所以上述因素对晶体振荡器的晶体装夹工艺及后续的每个环节都提出了苛刻的要求。晶振在振动环境下的相位噪声同时受到晶体的磨削设计、引脚的装夹工艺、晶振本身的加速度灵敏度、晶振的中心频率、振动环境的频率和强度的影响。因此，研究抗振晶振的机电集成设计方法，已经成为当前的迫切需求。

为了满足系统对晶振的设计要求，目前主要的提高晶振的环境适应性的方法有调整打磨工艺、优化装架方式、改进点胶工艺等，目前行业内仍然主要依靠提高晶体装架强度的方式来提升晶振的固有频率，以达到避免晶体的谐振频率远离随机振动频率的频段外的目的。这种设计理念原则上是正确的，但事实上，由于晶振的加工工艺很难得到本质上的提升，装夹强度的加强也是有极限的，随着装夹管脚的增加，固有频率的提升已经难以取得显著的效果，因此，传统的设计方法已经直接影响到后期的晶振的应用效果。而实际的工程实践已经证明，一味的提高晶体结构的一阶固有频率已经不能满足电子系统对晶振复杂振动环境下的相位噪声恶化的苛刻要求。

另一方面，传统的频率源系统的设计一般脱离其核心器件——晶振，而孤立进行，并没有考虑晶振振动环境的应力弛豫现象对频率源系统电气性能指标的内在影响。综上所述，目前的晶振的器件级设计不能满足航空电子装备极端环境的使用要求，不足以满足当前对晶振日益苛刻的工作要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种抗振晶振的机电集成设计方法，能够指导在苛刻振动条件下晶振的机电集成设计。

本发明采用的技术方案是：提供一种抗振晶振的机电集成设计方法，包括：建立晶振的动力学模型并根据晶振的实际振动情况得到功率谱曲线；根据所述功率谱曲线对晶振的管脚半径R、管脚安装位置P、振动频率范围f和振动量级G进行设置，利用有限元分析软件对所述动力学模型进行模态分析，得到晶振的固有频率和模态信息，以及对所述动力学模型进行谱分析，得到晶振的位移信息和应力状态；将晶振置于不同的装夹方式下进行随机振动试验，记录随机振动试验的输入参数R、P、f、G以及试验结果，所述试验结果包括晶振的动力学状态值σ、位移φ、固有频率f₀以及相位噪声恶化值ei；将动力学状态值σ、位移φ、固有频率f₀作为拟合输入参数，将器件等效参数作为拟合输出参数，根据所述拟合输入参数和拟合输出参数构建二次多项式拟合模型，所述器件等效参数包括晶振的品质因素Q、等效电阻R和等效电容C；利用电路分析软件构建基于器件等效参数的振荡电路的相位噪声分析系统；以提高电气性能指标为目标，利用所述相位噪声分析系统对所述二次多项式拟合模型进行优化，得到数学优化模型；根据不同的工况和电气性能指标要求，通过所述数学优化模型确定在工艺上是否存在可行解。

优选地，所述机电集成设计方法还包括：如果存在可行解，则根据所述可行解对晶振进行机电集成设计。

优选地，所述机电集成设计方法还包括：如果不存在可行解，则给出掣肘电气性能指标的影响因素。

优选地，所述数学优化模型为：

Find:T_i,X_i,Y_i

Min: $f=\underset{s=1}{\overset{\mathrm{NS}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_s\mathrm{\Δ}{P}_s$

s.t.:W≤W₀

V≤V₀

${\mathrm{\σ}}_{\max }^s=\max \left({\mathrm{\σ}}_j^s\right)\≤\left[\mathrm{\σ}\right]$

i＝1,2,....,NE

s＝1,2,...,NS

其中，ΔP_s表示第s个工况下的相位噪声恶化值，W₀表示质量上限，V₀表示所占体积上限，[σ]表示应力极限，NE表示管脚数，NS表示工况数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：结合电气特性对晶振的应力弛豫现象进行数学描述，突破传统的通过提升晶体一阶固有频率来改善抗振特性的设计方法，将结构动力学分析、等效电路分析及机电耦合计算集成实现，以此指导在苛刻振动条件下晶振的机电集成设计。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例的抗振晶振的机电集成设计方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的抗振晶振的机电集成设计方法所有可行解构成的可行域的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，是本发明实施例的抗振晶振的机电集成设计方法的流程示意图。本发明实施例的机电集成设计方法包括

S1：建立晶振的动力学模型并根据晶振的实际振动情况得到功率谱曲线。

其中，可以利用ANSYS的APDL(ANSYS Parametric Design Language，ANSYS参数化设计语言)模块对动力学模型进行参数化，并生成一个APDL命令文件。

功率谱曲线是晶振在实际振动情况下得到的，可以作为动力学分析输入条件。

S2：根据功率谱曲线对晶振的管脚半径R、管脚安装位置P、振动频率范围f和振动量级G进行设置，利用有限元分析软件对动力学模型进行模态分析，得到晶振的固有频率和模态信息，以及对动力学模型进行谱分析，得到晶振的位移信息和应力状态。

具体而言，将APDL命令文件导入有限元分析软件中，并根据功率谱曲线在APDL命令文件的相应的参数化模块中进行管脚半径R、管脚安装位置P、振动频率范围f和振动量级G等参数的设置。振动频率范围f的两个端点值为f₁和f₂。

其中，位移信息和应力状态为随机载荷的动力响应。

S3：将晶振置于不同的装夹方式下进行随机振动试验，记录随机振动试验的输入参数R、P、f、G以及试验结果，试验结果包括晶振的动力学状态值σ、位移φ、固有频率f₀以及相位噪声恶化值ei。

其中，晶振的装夹方式因管脚半径和管脚安装位置的不同而不同。

S4：将动力学状态值σ、位移φ、固有频率f₀作为拟合输入参数，将器件等效参数作为拟合输出参数，根据拟合输入参数和拟合输出参数构建二次多项式拟合模型，器件等效参数包括晶振的品质因素Q、等效电阻R和等效电容C。

其中，二次多项式拟合模型为动力学状态值和器件等效参数的数学关系式。

S5：利用电路分析软件构建基于器件等效参数的振荡电路的相位噪声分析系统。

S6：以提高电气性能指标为目标，利用相位噪声分析系统对二次多项式拟合模型进行优化，得到数学优化模型。

其中，数学优化模型为：

Find:T_i,X_i,Y_i

Min: $f=\underset{s=1}{\overset{\mathrm{NS}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_s\mathrm{\Δ}{P}_s$

s.t.:W≤W₀

V≤V₀

${\mathrm{\σ}}_{\max }^s=\max \left({\mathrm{\σ}}_j^s\right)\≤\left[\mathrm{\σ}\right]$

i＝1,2,....,NE

s＝1,2,...,NS

其中，ΔP_s表示第s个工况下的相位噪声恶化值，W₀表示质量上限，V₀表示所占体积上限，[σ]表示应力极限，NE表示管脚数，NS表示工况数。

S7：根据不同的工况和电气性能指标要求，通过数学优化模型确定在工艺上是否存在可行解。

其中，所有可行解组成的集合为可行域，可行域如图2所示，图中f为数学优化模型，X为数学优化模型的解。从可行域可以看出数学优化模型存在可行解和不可行解。

在本实施例中，本发明实施例的机电集成设计方法还包括：

S8：如果存在可行解，则根据可行解对晶振进行机电集成设计。通过可行解可以指导在苛刻振动条件下晶振的机电集成设计。

S9：如果不存在可行解，则给出掣肘电气性能指标的影响因素。该影响因素可以反过来指导机电集成设计方案的修改。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种抗振晶振的机电集成设计方法，其特征在于，包括：

建立晶振的动力学模型并根据晶振的实际振动情况得到功率谱曲线；

根据所述功率谱曲线对晶振的管脚半径R、管脚安装位置P、振动频率范围f和振动量级G进行设置，利用有限元分析软件对所述动力学模型进行模态分析，得到晶振的固有频率和模态信息，以及对所述动力学模型进行谱分析，得到晶振的位移信息和应力状态；

将晶振置于不同的装夹方式下进行随机振动试验，记录随机振动试验的输入参数R、P、f、G以及试验结果，所述试验结果包括晶振的动力学状态值σ、位移φ、固有频率f₀以及相位噪声恶化值ei；

将动力学状态值σ、位移φ、固有频率f₀作为拟合输入参数，将器件等效参数作为拟合输出参数，根据所述拟合输入参数和拟合输出参数构建二次多项式拟合模型，所述器件等效参数包括晶振的品质因素Q、等效电阻R和等效电容C；

利用电路分析软件构建基于器件等效参数的振荡电路的相位噪声分析系统；

以提高电气性能指标为目标，利用所述相位噪声分析系统对所述二次多项式拟合模型进行优化，得到数学优化模型；

根据不同的工况和电气性能指标要求，通过所述数学优化模型确定在工艺上是否存在可行解。

2.根据权利要求1所述的机电集成设计方法，其特征在于，所述机电集成设计方法还包括：

如果存在可行解，则根据所述可行解对晶振进行机电集成设计。

3.根据权利要求1所述的机电集成设计方法，其特征在于，所述机电集成设计方法还包括：

如果不存在可行解，则给出掣肘电气性能指标的影响因素。

4.根据权利要求1所述的机电集成设计方法，其特征在于，所述数学优化模型为：

Find:T_i,X_i,Y_i

$\mathrm{Min}:f=\underset{s=1}{\overset{\mathrm{NS}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_s{\mathrm{\ΔP}}_s$

s.t.:W≤W₀

V≤V₀

${\mathrm{\σ}}_{\max }^s=\max \left({\mathrm{\σ}}_j^s\right)\≤\left[\mathrm{\σ}\right]$

i＝1,2,....,NE

s＝1,2,...,NS

其中，ΔP_s表示第s个工况下的相位噪声恶化值，W₀表示质量上限，V₀表示所占体积上限，[σ]表示应力极限，NE表示管脚数，NS表示工况数。