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作者:Brad Brannon

摘要

随着支持直接IF采样的更高分辨率数据转换器的上市,系统设计师在选择低抖动时钟电路时,需要在性能/成本之间做出权衡取舍。许多用于标定时钟抖动的传统方法都不适用于数据转换器,或者最多只能表征部分特性。如果对如何标定和设计时钟电路没有正确的了解,可能无法使这些新型数据转换器达到最佳性能。要作出明智的时钟选择决定,仅有简单的抖动指标是远远不够的。而了解时钟噪声的带宽和频谱形状很重要,以便在采样过程中进行正确的处理。如今,许多系统设计师在为数据转换器时钟标定相位噪声和抖动要求时都做得不够,结果导致系统性能下降。几皮秒的时钟抖动可以使信号路径中迅速产生数分贝损耗。有些设计师则走向另一个极端,他们仅仅因为不清楚时钟噪声对转换器及其产品的性能到底有何影响,就选择了昂贵的时钟源,付出高昂的成本。请注意,最昂贵的时钟发生器并非始终能实现最佳系统性能。本应用笔记将说明与抖动、相位噪声和转换器性能相关的多种折衷考量。只要了解了这些利弊因素,就可以针对具体应用选择最适用的时钟,从而以最低的成本获得最佳性能。本文首先解释数据转换器中采样过程的工作原理,然后结合应用实例对时钟选择过程进行说明。

详文请阅:采样系统以及时钟相位噪声和抖动的影响

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“优势”总是和“挑战”站在一起,即使被称为“下一代SDR收发器中的黑魔法”,“零中频”现在也面临一个亟待克服的挑战——发射本振泄漏,简称“发射LOL”。

未校正的发射LOL会在所需发射范围内产生无用发射,造成潜在的违反系统规范的风险。本文论述发射LOL的问题,并介绍在ADI的RadioVerse™ 收发器系列中实现的可消除此问题的技术。如果可以将发射LOL降低到足够低的水平,使其不再导致系统或性能问题,也许人们就可以不必为LOL问题而烦恼!

什么是LOL?

RF混频器有两个输入端口和一个输出端口,如图1所示。理想混频器将产生一个输出,它是两个输入的乘积。就频率而言,该输出的频率应当是FIN + FLO以及FIN – FLO,不含其它项。如果任一输入不在驱动状态下,则不会有输出。

图1. 理想混频器

在图1中,FIN被设置为基带频率为1 MHz的FBB,FLO被设置为本振频率为500 MHz的FLO。如果是理想混频器,它将产生一个输出,其中包含两个信号音,频率分别为499 MHz和501 MHz。

然而,如图2所示,在FBB和FLO,真实混频器还将产生一些能量。FBB处产生的能量可以忽略不计,因为它远离所需的输出,并且将被混频器输出之后的RF组件滤除。无论FBB处产生的能量如何,FLO下产生的能量都可能是一个问题。它非常接近或在所需的输出信号内,并且很难或无法通过滤波去除,因为滤波也会滤除所需的信号。

图2. 真实混频器

LO应该用小一号或两号的字体下产生的这种无用能量被称为LOL。可驱动混频器的本振 (LO) 已经泄漏到混频器的输出端口。LO还有其他途径可以泄漏到系统输出端,例如通过电源或跨越硅本身。无论本振如何泄漏,其泄漏都可被称为LOL。

在只发射一个边带的实信号中频架构中,可以通过RF滤波解决LOL问题。相比之下,在发射两个边带的零中频架构中,LOL位于所需输出的中间,并形成了难度更高的挑战(见图3)。

图3. FLO下产生的无用能量(以红色显示),FLO下产生的这一无用能量被称为LOL

传统滤波不再是一种选择,因为任何去除LOL的滤波也会去除部分所需发射信号。因此,必须使用其他技术来消除LOL。否则,它最终在整个所需发射范围内可能会成为无用发射。

消除LO泄漏(也称为LOL校正)

生成幅度相等但相位与LOL相反的信号即可实现LOL消除,从而将其抵消,如图4所示。假设我们知道LOL的确切幅度和相位,则可以对发射器输入施加直流失调来生成抵消信号。

图4. LO泄漏和抵消信号

抵消信号的生成

复数混频器架构适用于生成抵消信号。由于混频器中存在LO频率的正交信号(它们是复数混频器如何工作的关键),因此允许生成任何相位和幅度的LO频率信号。

用于驱动复数混频器的正交信号可以描述为Sin(LO)和Cos(LO) —这些是LO频率的正交信号,可以驱动两个混频器。为了生成抵消信号,这些正交信号以不同的权重相加。就数学而言,我们可以产生一个输出,即I × Sin(LO) + Q × Cos(LO)。运用不同的带符号值代替I和Q,得到的和将是LO频率信号,并且可以具有任何所需的幅度和相位。示例如图5所示。

图5. 生成的任何相位和任何幅度抵消信号的示例

所需的发射信号将需要应用于发射器的输入。对发射数据施加直流偏置后,混频器的输出端将包含所需的发射信号以及所需的LOL抵消信号。特意生成的抵消信号将与无用的LOL组合抵消,仅留下 所需的发射信号。

观测发射LOL

如图6所示,使用观测接收器来观测发射LOL。在该示例中,观测接收器使用与发射器相同的LO,因此LO频率的任何发射能量都将在观测接收器的输出端显示为直流。

图6. 观测与校正TxLO泄漏的基本概念

图6所示的方法有其内在缺陷:使用相同的LO来发射和观测,发射LOL将在观测接收器的输出端显示为直流。由于电路中的元件不匹配,观测接收器本身将具有一定量的直流,因此观测接收器的总直流输出将是发射链路中存在的发射LOL与观测链路原生直流失调。有一些方法可以克服这个问题,但是更好的方法是使用不同的LO频率进行观测,从而将

图7. 使用不同LO发射和观测

由于使用了不同于发射LO的频率来观测,因此在观测接收器中,发射LO频率的能量不会以直流出现。相反,它将显示为频率等于发射LO与观测LO之差的基带信号音。观测路径中的原生直流仍然会以直流出现,因此会将观测直流与发射LOL测量结果完全分离。

为简单起见,图8使用单一混频器架构说明了这一概念。在该示例中,发射器的输入为零,因此其唯一输出是发射LOL。频移在观测接收器之后完成,将发射LOL观测到的能量移动到直流。

图8. 从Tx LOL分离观测接收器直流

找出必要的校正值

将观测接收器的输出除以从发射输入到观测接收器输出的传递函数,并将得出的结果与预期发射进行比较,找出所需的校正值。涉及的传递函数如图9所示。

图9. 从发射器输入到观测接收器输出的传递函数

从发射器基带输入到观测接收器基带输出的传递函数由幅度缩放和相位旋转两部分组成。下文对此分别做了更详细的说明。

图10表明如果从发射输出到观测接收器输入的回送路径中具有增益或衰减,或者如果发射器电路的增益与观测接收器电路的增益不同,则观测接收器报告的发射信号的幅度可能不代表所发射信号的实际幅度。

图10. 回送路径衰减引起的幅度缩放

现在来看相位旋转。重要的是要意识到信号不会从点A瞬间传输到点B。例如,信号以约光速的一半速度经过铜,这表示沿铜条传输的3 GHz信号的波长约为5厘米。这意味着如果使用间隔几厘米的多个示波器探头探测铜条,则示波器将显示彼此不同相位的多个信号。图11对这一原理进行了说明,图中所示为沿铜条隔开的三个示波器探头。每个点看到的信号频率为3 GHz,但三个信号之间存在相位差。

图11. 距离与相位的关系,5 cm走线,3 GHz信号,以及0 cm、2 cm和4 cm处的探头点

需要注意的是,沿铜带移动单个示波器探头将不会显示此效应,因为示波器将始终在0°相位触发。只有使用多个探头才能观测到距离与相位之间的关系。

正如沿铜条出现相位变化一样,从发射器输入到观测接收器输出将发生相位变化,如图12所示。LOL校正算法必须知道发生了多少相位旋转,以便计算出正确的校正值。

图12. 回送路径中物理距离引起的相位旋转

确定从发射输入到观测接收器输出的传递函数

施加发射器输入信号并将其与观测接收器的输出进行比较即可得到图13所示的传递函数。但有些要点需要牢记。如果静态 (dc) 信号被施加到发射器输入,它将产生一个发射LO频率的输出,并且发射LOL将与其相结合。这将会妨碍正确得到传递函数。还应注意,发射输出端可以连接到天线,因此故意向发射器输入端施加信号可能是不被允许的。

图13. 确定从发射器输入到观测接收器输出的传递函数

为了解决这些挑战,ADI收发器使用一种将低电平直流失调应用于发射信号的算法。周期性调整失调电平,观测接收器的输出会显示这些扰动。然后,该算法分析比较观测值增量与输入值差值,如表1所示。在该示例中,没有发射用户信号,但是该方法在用户信号存在时仍然适用。

表1. 观测值增量与输入值增量的比较

执行两种情况的减法,从等式中消除恒定发射LOL,即可获得传递函数。可以扩大到两种情形以上,可对许多独立结果取平均值以提高准确性。

小结

LOL校正算法将能学习从发射输入到观测接收器输出的传递函数。然后将观测接收器的输出除以传递函数,得出发射器的输入。将预期发射的直流电平与观测到的发射直流电平进行比较,即可确定发射LOL。最后,该算法将计算消除发射LOL所必需的校正值,并将其作为直流偏置应用于所需的发射数据。

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现代冲压技术是集设备、模具、材料和工艺等多种技术于一体的高新技术。一个好的马达铁芯需要由精密的五金冲压模具,采用自动铆接的工艺,然后利用高精密度冲压机台冲压出来。

这样做的好处是,可以最大程度地保证其产品的平面的完整度,最大程度地保证其产品精度。

高速冲压技术是近20年发展起来的先进成形加工技术。电机定转子铁芯零件的现代冲压技术是用高精度、高效率、长寿命、集各工序于一副模具的多工位级进模在高速冲床上进行自动化冲制,其冲制过程是冲制条料从卷料上出来后,先经过校平机进行校平

再通过自动送料装置进行自动送料,然后条料进入模具,可以连续完成冲裁、成形、精整、切边、铁芯自动叠片、带扭斜叠片落料、带回转叠片落料等工序的冲制,到铁芯零件成品从模具中输送出来,整个冲制过程都是在高速冲床上自动完成的(如图1所示)。

目前用于冲制电机定转子铁芯零件方面的现代冲压设备主要有:德国有:SCHULER舒勒、日本有:AIDA高速冲床、DOBBY高速冲床、ISIS高速冲床,美国有:MINSTER高速冲床,台湾有:瑛瑜高速冲床等。

这些精密高速冲床,具有高的送料精度、冲压精度和机器的刚度、可靠的机器安全系统,其冲压速度一般多在200~600次/min范围,适合于冲制电机定转子铁芯的自动叠片和带扭斜、回转自动叠铆片的结构零件。

(一) 电机定转子铁芯级进模概述

在电机行业中,定、转子铁芯是电机上的重要零部件之一,它的质量好坏直接影响到电机的技术性能。

传统制作铁芯方法是用一般普通模具冲制出定、转子冲片(散片),经过齐片,再用铆钉铆接、扣片或氩弧焊等工艺过程制成铁芯,对于交流电机转子铁芯还需用手工进行扭转出斜槽,步进电机要求定、转子铁芯磁性能和厚度方向均匀,定子铁芯和转子铁芯冲片之间分别要求旋转一定的角度,如用传统方法制作,效率低,精度很难达到技术要求。

现在随着高速冲压技术的迅速发展,在电机、电器等领域,已广泛采用高速冲压多工位级进模制造自动叠片式的结构铁芯,其中定、转子铁芯还可以带扭转叠斜槽、冲片之间带大角度回转叠铆结构等,与普通冲模相比,多工位级进模具有冲制精度高、生产效率高、使用寿命长、所冲制铁芯尺寸精度一致性好、容易实现自动化、适合大批量生产等优点,是电机行业精密模具发展的方向。

定、转子自动叠铆级进模具有制造精度高、结构先进、带有技术性要求高的回转机构、计数分离机构及安全机构等,铁芯自动叠铆、转子带扭斜叠铆、大角度回转叠铆的冲制工步都是放在定、转子冲片落料工位上完成的。级进模上的主要零件凸模、凹模都采用硬质合金材料,每磨一次刃口可冲150万次以上,模具总寿命在1.2亿次以上。

(二) 电机定转子铁芯自动叠铆技术

级进模上带自动叠铆技术就是要把原来传统制作铁芯的工艺过程(冲出散片-齐片-铆合)放在一副模具内完成,即在级进模的基础上增加了新的冲压工艺技术,除了冲定、转子上的轴孔、槽孔等冲片形状要求外,增设了定、转子铁芯叠铆需要的叠铆点及起叠铆点分离作用的计数孔的冲压工位,并将原来定、转子的落料工位改变成先起落料作用,然后使各冲片再形成叠铆过程和叠片计数分离过程(以确保铁芯厚度)的叠铆工位,如定、转子铁芯需要带扭转、回转叠铆功能的,在级进模转子或定子落料工位的下模上要带有扭转机构或回转机构,由叠铆点在冲片上不断改变或转动位置而实现这一功能的,从而满足在一副模具内自动完成冲片的叠铆和回转叠铆的技术要求。

1、铁芯自动叠片形成的过程是:在定、转子冲片适当部位上冲出一定几何形状的叠铆点,叠铆点的形式如图2所示,上部是凹陷形孔,下部是凸起的,然后将同一名义尺寸的上一冲片凸起部分嵌入到下一冲片的凹陷形孔时,在模具中落料凹模收紧圈内自然形成“过盈”,达到紧固连接的目的,如图3所示。

在模具内铁芯形成的过程是,在冲片落料工位上使上一片叠铆点的凸起部位正确地与下面一片的叠铆点凹形孔部位重合在一起,当上面一片受到落料凸模压力作用时,下面一片借助其外形与凹模壁摩擦所产生的反作用力使两片产生叠铆。

这样,通过高速自动冲床连续不断的冲制,就可以得到一片挨着一片排列、毛刺是同一方向而且具有一定叠厚的整齐铁芯。

2、铁芯叠片厚度的控制方法是,在铁芯预定的片数时,把最后一片冲片上的叠铆点冲穿,使铁芯按预定的片数分离,如图4所示。在模具结构上设置有自动叠片计数分离装置,如图5所示。

在计数凸模上面有一个抽板机构,抽板由气缸带动,气缸动作由电磁阀控制,电磁阀根据控制箱发出的指令而动作。

冲床每一次行程信号都输入到控制箱里,当冲到所设定片数时,控制箱会发出信号,通过电磁阀和气缸,使抽板动作,从而使计数凸模达到计数分离的目的,即在冲片的叠铆点上达到计量孔被冲穿和不冲计量孔的目的。

铁芯的叠片厚度可以自行设定。另外,有的转子铁芯的轴孔因支承结构的需要,要求冲制成有2段或3段台肩沉孔。

如图6所示,级进模上要同时完成冲制这种有台肩孔工序要求的铁芯,可采用上述相类似的结构原理,模具结构如图7所示。

3、铁芯叠铆结构形式有两种:第一种是密叠式,即叠铆成组的铁芯不需要在模具外再加压,出模即可达到铁芯叠铆的结合力。第二种是半密叠式,出模时已叠铆的铁芯冲片之间有间隙,还需要再加压才能保证结合力。

4、铁芯叠铆的设置及数量的确定:铁芯叠铆点位置的选择应根据冲片的几何形状确定,同时考虑到电机的电磁性能及使用要求,模具上应考虑叠铆点的凸模、凹模镶块位置是否有干涉现象及落料凸模相应叠铆顶杆孔位置离边上距离的强度问题。

叠铆点在铁芯上分布应对称和均匀,叠铆点的数量及大小应根据铁芯冲片之间要求的结合力大小来确定,同时必须考虑到模具的制造工艺性。如铁芯冲片之间带有大角度回转叠铆的,还要考虑叠铆点的等分要求等。如图8所示。

5、铁芯叠铆点的几何形状有:

(a)圆柱形叠铆点,适用于铁芯的密叠式结构;

(b)V型叠铆点,该叠铆点的特点是铁芯冲片之间的连接强度大,适用于铁芯的密叠式结构和半密叠式结构;

(c)L型叠铆点,该叠铆点形状一般用于交流电机转子铁芯的扭斜叠铆,适用于铁芯的密叠式结构;

(d)梯形叠铆点,该叠铆点有园梯形和长梯形叠铆点结构之分,两者都适用于铁芯的密叠式结构,如图9所示。

6、叠铆点的过盈量:铁芯叠铆的结合力大小与叠铆点的过盈量有关,如图10所示,叠铆点凸台的外径D与内经d的尺寸差(即过盈量),由冲制叠铆点凸模与凹模的刃口间隙确定,所以选取合适的间隙是保证铁芯叠铆强度以及叠铆难易程度情况的一个重要部分。

(三)电机定转子铁芯自动叠铆的装配方法

1、直接叠铆:在一副级进模的转子 落料或者定子落料工步上,将冲片直接冲入落料凹模之中,当冲片叠压于凹模和凹模下面的收紧圈内时,靠每一冲片上的叠铆凸出部位使各冲片固定在一起。

2、带扭斜叠铆:铁芯上每一冲片之间要旋转一个小角度再叠铆,这种叠铆方法一般多用于交流电机的转子铁芯上。其冲制过程是,冲床每冲一次后(即冲片冲入落料凹模之内后),在级进模的转子落料工步上,由转子落料凹模、收紧圈和回转套组成的回转装置旋转一个小角度,旋转量可以改变和调整,即冲片冲下后,就被叠铆在该铁芯上,接着回转装置内的铁芯再旋转一个小角度。这样冲制出的铁芯即带叠铆又带扭转,如图11所示。

带动模具内回转装置转动的结构形式有二种;一是由步进电机带动的转动结构形式,如图12所示。

二是由模具上模的上下运动所带动的转动(即机械式扭转机构),如图13所示。

3、带回转叠铆:铁芯上每一冲片之间要转动一个规定的角度(一般为大角度)再叠铆,冲片之间转动的角度一般有45°、60°、72°、90°、120°、180°等大角度回转形式,这种叠铆方法可以补偿由于冲制材料厚度不均匀引起的叠层积累误差和改善电机磁性能的特性。其冲制过程是,冲床每冲一次后(即冲片冲入落料凹模之内后),在级进模的落料工步上,由落料凹模、收紧圈和回转套组成的回转装置转动规定的一个角度,每次转动的规定角度要精确。即冲片冲下后,就被叠铆在该铁芯上,接着回转装置内的铁芯再转动规定的角度。

这里回转是以每一冲片铆点数为基础的冲制过程。带动模具内回转装置转动的结构形式有二种;一是由高速冲床曲轴运动所输送出来的转动,通过万向节、连接法兰和联轴器等带动回转驱动装置,然后回转驱动装置带动模具内的回转装置转动。如图14所示。

二是由伺服电机带动的转动(需配备专用电器控制器),如图15所示。一副级进模上的带回转形式可以是单回转形式,也可以是双回转形式,甚至是多回转形式,它们之间回转的角度可以相同也可以不同。

4、带回转扭斜叠铆:铁芯上每一冲片之间要转动一个规定的角度再加上一个扭斜小角度(一般为大角度+小角度)再叠铆,这种叠铆方法用于铁芯落料外形是圆形的形状,大回转用于补偿由于冲制材料厚度不均匀引起的叠层积累误差,小的扭转角度是交流电机铁芯性能所需要的转动。

其冲制过程与前面的冲制过程相同,不同的形式是转动角度大而且不是整数。目前带动模具内回转装置转动的常用结构形式是用伺服电机带动的(需配备专用电器控制器)。

(四)扭转和回转运动的实现过程

级进模在高速冲载过程中,冲床的滑块在下死点时,凸模和凹模之间是不允许有转动现象的,所以扭转机构、回转机构的旋转动作必须是间断运动,而且要与冲床滑块的上下运动相协调。

具体要求实现转动过程是:在冲床滑块每一次行程中,滑块在曲轴转至240º~60º范围內,回转机构发生转动,在其它角度范围內处于静止状态,如图16所示。

其回转范围设定的方法:如采用回转驱动装置带动的转动,调整范围就在该装置上进行设置的;如采用电机带动的转动,就在电器控制器上进行设定或者通过感应接触器进行调整接触范围;如采用机械式带动的转动,则通过杠杆转动的范围进行调整。

(五)回转安全机构

由于级进模在高速冲床上进行冲制,对于带大角度回转模具结构,如果定、转子冲片落料外形不是圆形,而是方形或带有齿形等异形的形状时,为保证每次落料凹模回转停留的位置正确无误,确保落料凸模和凹模零件的安全,在级进模上必须设置有回转安全机构。回转安全机构的形式有:机械安全机构和电器安全机构。

(六)电机定转子铁芯现代冲模的结构特点

电机定转子铁芯级进模的主要结构特点有:

1. 模具采用双导向结构,即上下模座靠四根以上大的滚珠式导柱导向,各卸料装置与上下模座有四根小导柱导正,保证模具有可靠的导向精度;

2. 从方便制造、检测、维修、装配上的技术考虑,模具板料采用较多拼块式结构和组合式结构;

3. 除了有级进模的常用结构如步距导正系统、卸料系统(由卸料板主体和分体式卸料板组成)、导料系统和安全系统(误送检测装置)外,有电机铁芯级进模特殊的结构:如铁芯自动叠片的计数分离装置(即抽板结构装置)、冲制铁芯叠铆点结构及铁芯落料叠铆点顶杆结构、冲片落料再叠铆的收紧结构、扭转或回转装置、大回转的安全装置等;

4. 由于级进模主要零件凸模与凹模材料常用硬质合金,从加工特点和材料的价格因素方面考虑,凸模采用压板式固定形式结构、凹模采用镶拼式结构形式,便于装配和更换。

电机定转子铁芯现代冲模技术的现状及发展

电机定转子铁芯自动叠片技术在70年代由美国、日本最早提出并研制成功,从而使电机铁芯的制造技术取得了突破性的进展,给高精度的铁芯自动化生产开辟了新路。

我国研制这项级进模技术是从80年代中期开始的,最早是通过对引进模具的技术消化、吸收得到的实践经验,到后来自主研制这类模具,都有了较快的发展,并在国产化方面取得了可喜的成果,从原来靠引进这类模具,到我们自己能研制这类高档精密模具,提高了电机行业精密模具的技术水平。

特别是最近10年,随着我国精密模具制造工业的快速发展,现代冲模作为特殊的工艺装备,在现代制造业中越来越重要。电机定转子铁芯现代冲模技术也得到了全面、迅速的发展,最早只能在少数几家国营企业能够设计制造,发展到现在能够设计制造这类模具企业已有许多家,而且研制这类精密模具技术水平日趋成熟,并已开始出口到国外,加快了我国现代高速冲压技术的发展。

目前,我国电机定转子铁芯现代冲模技术主要体现在以下几个方面,其设计制造水平已接近国外同类模具的技术水平:

1. 电机定转子铁芯级进模的整体结构(包括双导向装置、卸料装置、导料装置、步距导向装置、限位装置、安全检测装置等);
2. 铁芯叠铆点结构形式;
3.级进模上带自动叠铆技术、带扭斜、回转技术;
4. 冲制出铁芯的尺寸精度和铁芯牢度;
5. 级进模上主要零件的制造精度、镶拼精度;
6. 模具上选用标准件零件程度;
7.模具上主要零件材料的选用;
8. 模具主要零件的加工设备。

随着电机品种的不断发展、创新和装配工艺的更新,对电机铁芯的精度要求越来越高,这对电机铁芯级进模提出了更高的技术要求,其发展趋势是:

1. 模具结构的创新应成为电机定转子铁芯现代冲模技术发展的主旋律;
2. 模具整体水平向超高精密和更高技术方向发展;
3. 电机定转子铁芯带大回转加扭斜叠铆技术的创新发展;
4. 电机定转子铁芯冲模向多排样、无搭边、少搭边冲压技术方向发展;
5. 随着高速精密冲床技术的不断发展,模具应适合更高冲压速度的需要。

本文转自:机床冲压技术,如何确保高精度?以电机定转子铁芯为例

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