TY - THES A1 - Apte, Anisha T1 - A new analytical design method of ultra-low-noise voltage controlled VHF crystal oscillators and it’s validation T1 - Eine neue analytische Entwurfsmethode für spannungsgesteuerte UKW-Quarzoszillatoren mit extrem geringem Rauschen und ihre Validierung N2 - The design of high Q oscillators, using Crystals at lower frequencies, (and dielectric resonators at much higher frequencies), has long been considered a black art. This may be due to the fact that a systematic approach with optimized design guideline for crystal oscillators could not be found after extensive literature search. In this dissertation, after analyzing the first crystal oscillator by W.G. Cady (1921), other high performance crystal oscillators will be discussed, analyzed and calculated. A single transistor crystal oscillator design as used by HP (Hewlett Packard) in one of their designs, the HP10811A is considered in this thesis for mathematical analysis and CAD (Computer aided Design) simulation. This was also measured on state-of-the-art signal source analyzer. After validation, this design is scaled to 100MHz, the frequency of interest for this dissertation. Though most designers use a single transistor based oscillator circuit, it is not an optimized design because of limited control over key design parameters such as loop gain, dc current etc. This dissertation is an attempt to overcome the limitation due to the single transistor circuit and to give a step by step procedure, explaining the significance of a two transistor design with thorough analysis and design simulation results. This two stage transistor circuit is also not yet a best solution in terms of phase noise performance and output power, and some add-on circuitry will be needed for an optimized performance. An important contribution of this work is to show that since the voltage gain is the ratio of the collector resistor and the emitter resistor, the performance is practically independent of the VHF transistor and gives better control over various parameters of the oscillator, in order to optimize the design. A grounded-base amplifier is then introduced and added for improving the isolation and the output power. Unlike most oscillators, that take the output from the collector, a novel concept introduced by Rohde [14], is incorporated here, where the crystal is used as a filter that is then connected to the grounded base amplifier, a technique which many companies have been using. This dissertation will show that this technique increases the output power without significantly affecting the phase noise. Such a validation is needed for better understanding and as per my knowledge, has not been done so far. For the oscillator, the tuning diode sensitivity and flicker noise contribution are also taken into consideration, by calibrating the mathematics and its validation is shown. Crystal resonators of the type AT and stress-compensated (SC) cut devices will be considered as they give the best performance. The one port Colpitts type oscillator is considered first and the two port two transistor design later. Both will need a post amplifier/buffer stage. A complete step by step design procedure for an optimized 100MHz crystal oscillator is then presented. For completeness, CAD Simulation and Experimental results are provided for 10 MHz, 128 MHz and 155 MHz VCO circuits. N2 - Die Entwicklung von Oszillatoren mit Resonatoren hoher Güte unter Verwendung von Schwingquarzen für niedrigeren Frequenzen (ebenso wie von dielektrischen Resonatoren bei viel höheren Frequenzen) wurde lange Zeit als schwarze Kunst angesehen. Dies kann daran liegen, dass ein systematischer Ansatz mit optimierter Entwurfsrichtlinien für ersten Quarz-Oszillators trotz umfangreicher Literaturrecherche nicht gefunden werden konnte. In dieser Dissertation werden nach der Analyse des ersten bekannten Quarz-Oszillators von W. G. Cady (1921) andere Hochleistung Quarz-Oszillators diskutiert, analysiert und berechnet. Der HP10811A ist ein Einzeltransistor-Quarz-Oszillator, wie von HP (Hewlett Packard) in einem ihrer Designs verwendet. In dieser Arbeit wird die die Schaltung mathematisch und mithilfe von Computer Aided Design Simulation (CAD) analysiert . Die Schaltung wurde auch mit einem Signalquellenanalysator nach dem neuesten Stand der Technik gemessen. Nach der Bestätigung der Daten wird dieses Design auf 100 MHz skaliert, die Frequenz, die für diese Dissertation von Interesse ist. Obwohl die meisten Entwickler eine Oszillatorschaltung auf Einzeltransistorbasis verwenden, handelt es sich nicht um ein optimiertes Design, da die Kontrolle über wichtige Designparameter wie Schleifenverstärkung, Gleichstrom usw. begrenzt ist. Diese Dissertation präsentiert einen Ansatz, die Einschränkung aufgrund der Einzeltransistorschaltung zu überwinden und zeigt eine schrittweise Vorgehensweise, in der die Bedeutung eines Zwei-Transistor-Entwurfs mit gründlichen Analyse- und Entwurfssimulationsergebnissen erläutert wird. Diese zweistufige Transistorschaltung ist jedoch noch nicht die optimale Lösung hinsichtlich des Phasenrauschens und der Ausgangsleistung, und für eine optimierte Leistung wird eine zusätzliche Schaltungen benötigt. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist es zu zeigen, dass das Oszillator-Design durch eine Schaltungstopologie optimiert werden kann, bei der die Schleifen-Spannungsverstärkung durch das Verhältnis des Kollektorwiderstands zum Emitterwiderstand festgelegt ist. Dadurch werden die die Schaltung bestimmenden Parameter praktisch unabhängig vom VHF-Transistor, was eine bessere Kontrolle der Parameter des Oszillators ermöglicht. In der mathematischen Analyse des Oszillator werden auch die Empfindlichkeit der Abstimmdiode und der Beitrag des Flicker-Rauschens berücksichtigt und die Genauigkeit der Schaltungsberechnung verifiziert. Quarz-Resonatoren mit AT Schnitt und stressskompensierte (SC) Schnitte werden als die beste Lösung angesehen. Der Oszillator vom Colpitts-Typ mit einem “Tor” wird zuerst betrachtet und der Transistor mit zwei “Toren” später. Beide benötigen eine Nachverstärker- bzw. Pufferstufe. Anschließend wird ein vollständiges schrittweises Entwurfsverfahren für einen optimierten 100-MHz-Quarzoszillator vorgestellt. Der Vollständigkeit halber werden CAD-Simulations- und Versuchsergebnisse für 10-MHz-, 128-MHz- und 155-MHz-VCO-Schaltungen bereitgestellt. Abschließend wird ein Nachverstärker in Basisschaltung eingeführt, um die Isolation und die Ausgangsleistung zu verbessern. Im Gegensatz zu den meisten Oszillatoren, die den Ausgang vom Kollektor beziehen, wird hier ein innovatives Konzept von Rohde [14] benutzt, bei dem der Quarzresonator als Filter und Resonator verwendet wird, bevor es durch den Nachverstärker ausgekoppelt wird. Diese Technik wurde inzwischen von vielen Herstellern übernommen. Diese Dissertation zeigt, dass diese Schaltungstechnik die Ausgangsleistung erhöht, ohne das Phasenrauschen wesentlich zu beeinflussen. Dieser Nachweis ist zum besseren Verständnis erforderlich und wurde meines Wissens bisher noch nicht erbracht. KW - Quartz crystal KW - Crystal oscillator KW - Phase noise KW - Reference source KW - Voltage controlled KW - Quarzkristall KW - Kristalloszillator KW - Phasenrauschen KW - Referenzquelle KW - Spannungsgesteuert KW - Quarzoszillator KW - UKW KW - CAD Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51386 ER - TY - THES A1 - Urbano Caguasango, José Mauricio T1 - Learning-based manufacturing deviation estimation for robust computer-aided design T1 - Lernbasierte Abschätzung von Fertigungsabweichungen für die robuste rechnergestützte geometrische Modellierung N2 - Surface variations are an unavoidable byproduct of any manufacturing process and may lead to deviating part performance and even elevated part rejection rates. Because traditional computer aided-design approaches are aimed towards production of idealized, nominal geometric shapes, the wide geometric-and statistical-variability typical for any manufacturing process remains unrepresented and is frequently ignored during design. Thus, the present work aims at a more realistic design approach and, therefore, develops a collection of computer-aided design strategies for accurate representation, statistical analysis and prospective estimation of surface deviations with validation examples on aero engine turbine blades. The CAD representation of real manufactured surfaces requires the ability to accurately recreate complex geometric shapes. This is achieved by automated re-parametrization of any CAD face of interest as B-spline surface with a rather dense control point grid. Face matching to scanned manufactured samples is then performed by calculating control point displacements, which successfully deliver surface representation errors below typical measurement uncertainties on multiple matching examples from turbine shank and hot-gas faces. Since inference of performance variability due to manufacturing is usually limited by the amount of scanned manufactured parts, a probabilistic model is formulated based on singular-value decomposition of control point displacements and identification of dominant manufacturing modes. This allows generation of an infinite set of synthetic deviating surfaces faithful to experimental deviation patterns. Nominal geometric features may significantly differ between design iterations and manufacturing modes may not necessarily be transferable between different designs. Thus, deviation estimation may remain infeasible before manufacturing. To enable deviation estimation during the design phase, the present work proposes a machine learning strategy to identify deviation patterns explained by nominal geometric properties-such as relative position and local orientation-and use them for deviation estimation on new designs. This strategy is able to predict realistic stress variability induced by shank deviations of a turbine blade design using only surface deviation information from three given designs, which encourages machine-learning approaches as valuable tool for geometric deviation estimation as part of robust design. N2 - Fertigungsabweichungen sind unvermeidbar und tragen signifikant zu unerwünschten Performance-Variationen und erhöhten Ablehnungsraten bei. Konventionelle rechnergestützte Bauteilauslegungsmethoden konzentrieren sich dagegen meist auf die Erstellung von idealisierten, nominalen Geometrien und lassen statistische Fertigungsvariabilitäten in der Auslegungsphase großenteils unberücksichtigt. Um beides besser miteinander zu verbinden, werden in dieser Arbeit eine Reihe von rechnergestützten Konstruktions- und Modellierungsmethoden vorgestellt, welche eine virtuelle Rekonstruktion, robuste statistische Analyse und prädiktive Abschätzung von Oberflächenabweichungen erlauben, und mittels Validierungsbeispiele für Turbinenschaufeln nachgewiesen. Die CAD Darstellung von Fertigungsabweichungen erfordert die Fähigkeit, komplexe geometrische Formen akkurat nachzubilden, weshalb in dieser Arbeit die CAD Fläche zunächst als B-Spline Fläche mit hoher Kontrollpunkt-Dichte re-parametrisiert wird. Die Flächenanpassung an eingescannte, gefertigte Bauteile erfolgt dann durch Berechnung von Kontrollpunkt-Verschiebungen. Anhand mehrerer Anpassungsbeispiele von Heißgas- und Schaftflächen einer Turbinenschaufel wird nachgewiesen, dass Anpassungsgenauigkeiten unterhalb typischer Messunsicherheiten möglich sind. Um statistische Abschätzungen der geometrischen Variabilität des Fertigungsprozesses trotz einer limitierten Anzahl an vermessenen Bauteilen zu ermöglichen, wird ein probabilistisches Modell der Fertigungsstreuung auf Basis von Singulärwertzerlegung der Kontrollpunkt-Abweichungen und Identifizierung dominanter Fertigungsmoden entwickelt. Dies ermöglicht die Generierung unendlich vieler, synthetischer fertigungstreuer Abweichungsexemplare. Diese Darstellung der geometrischen Variabilität ist allerdings auf eine bestimmte Parametrisierung beschränkt, weshalb eine direkte Übertragung auf neue abweichende geometrische Designs nicht korrekt ist. Um eine solche zu ermöglichen, wird eine Strategie zur Erkennung geometrisch-bedingter Fertigungsmuster basierend auf Methoden des maschinellen Lernens formuliert. Diese Strategie ist in der Lage, realistische Abschätzungen von Oberflächen- und Spannungsvariabilität der Schaftflächen einer Turbinenschaufel vorzunehmen, allein durch Verwendung von Oberflächenmessungen dreier bereits gefertigter Turbinenschaufel-Entwürfe. Damit wird das große Potential des maschinellen Lernens bei der Wissensextraktion aus Fertigungsexemplaren bestätigt und ihre Weiterentwicklung innerhalb robuster Entwurfsprozesse ermutigt. KW - Machine learning KW - Computer-adided design KW - Robust design KW - Manufacturing deviation KW - Turbine blade KW - Maschinelles Lernen KW - CAD KW - Robuster Entwurf KW - Fertigungsabweichungen KW - Turbinenschaufel KW - Turbinenschaufel KW - CAD KW - Maschinelles Lernen KW - Fertigung KW - Abweichung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61544 ER - TY - THES A1 - Spieß, Benjamin T1 - The artificial engineer : a smart holistic framework for the automated transfer of geometry to analysis models T1 - Der künstliche Ingenieur : ein intelligentes ganzheitliches Framework für die automatisierte Überführung von Geometrie- zu Analysemodellen N2 - The creation of adequate simulation models for complex assemblies is an extensive process that requires a lot of experience, and on the other hand involves a multitude of manual, tedious tasks. These are significant obstacles for improving the process performance and capabilities. The objective of this research is to develop methods which digitally imitate the way of thoughts of the engineer in the design process towards a digital system understanding and which support the automation of the involved manual workflow. This thesis presents a strategy to translate engineering reasoning and actions to an equivalent in the computer domain. A cardinal step is to gain understanding of system arrangements, boundary conditions and its components. Based on this evaluation, the identification of assembly parts is forming the foundation for optimized process chains for the transfer to the analysis environment. Model complexity relates to computational effort, which in turn affects model capabilities and manageability. To achieve a satisfactory compromise of model quality and complexity, this transfer process is strongly dependent on the visual analysis, reasoning and manual implementation of skilled engineers. The principle of translating engineering logics is pursued from the assembly system to its smallest parts. Component segmentation methods allow subdividing regions of interest into substructures which are assigned with a feature vector. This vector comprises metrics describing the substructures with regard to specific aspects and is the key decision point for subsequent steps as idealization, suitable Finite-Element modeling and ultimately building an analysis model. The created system database is continuously maintained and supports these process chains as well as the final setup of the assembly simulation model. An automated workflow like this implies advantages for efficiency, but also creates opportunities for further use cases. This workflow has been exploited for generating a training data set from the different simulation variants as a basis to a knowledge representation imitating engineering experience. An algorithm from the graph neural network field is applied to this data set as a conceptual approach. The intention pursued in this concept is to model the learning progress about estimating the influence of modelling decisions on simulation results and quality. This research proposes a holistic strategy and describes methods to achieve the objectives of decreasing manual effort, introducing an automated and geometry-based process and digitally replicating engineering experience by introducing a knowledge database. N2 - Die Erstellung geeigneter Simulationsmodelle für komplexe Baugruppen ist ein umfangreicher Prozess, der einerseits viel Erfahrung erfordert und andererseits eine Vielzahl manueller Aufgaben beinhaltet. Dies sind Hindernisse für die Verbesserung der Prozesseffizienz und Erweiterung der technischen Möglichkeiten. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zu entwickeln, die die Vorgehensweise des Ingenieurs im Entwicklungsprozess in Richtung eines virtuellen Systemverständnisses digital imitieren und die Automatisierung der damit verbundenen manuellen Arbeitsabläufe unterstützen. In dieser Arbeit wird eine Strategie vorgestellt, mit der ingenieurwissenschaftliche Gedankengänge in ein Äquivalent in der digitalen Domäne übersetzt werden können. Ein zentraler Aspekt ist dabei das Verständnis der Systemkonfiguration, der Randbedingungen und der Komponenten. Darauf aufbauend bildet die Identifikation von Bauteilen die Grundlage für optimierte Prozessketten zur Übertragung in die Analyseumgebung. Die Modellkomplexität steht im Zusammenhang mit dem Rechenaufwand, der sich wiederum auf die Modellleistungsfähigkeit und die Handhabbarkeit auswirkt. Um einen zufriedenstellenden Kompromiss zwischen Modellqualität und -komplexität zu erreichen, ist dieser Transferprozess stark von der visuellen Analyse, den Schlussfolgerungen und der manuellen Umsetzung durch erfahrene Ingenieure abhängig. Das Konzept der Übersetzung ingenieurtechnischer Logiken wird vom Gesamtsystem in seine einzelnen Teile verfolgt. Segmentierungsverfahren ermöglichen die Unterteilung von relevanten Regionen in Teilstrukturen, die mit einem Feature-Vektor versehen werden. Dieser Vektor umfasst Metriken, die die Strukturen unter bestimmten Aspekten beschreiben und ist das zentrale Entscheidungskriterium für nachfolgende Schritte wie Idealisierung, adäquater Finite-Elemente-Modellierung und Aufbau eines Analysemodells. Die Systemdatenbank wird kontinuierlich verwaltet und erweitert und unterstützt die Prozessabläufe ebenso wie den finalen Aufbau des Gesamtmodells. Ein automatisierter Arbeitsablauf wie dieser bringt Vorteile für die Effizienz mit sich, schafft aber auch Raum für zusätzliche Anwendungsfälle. Dieser Workflow wurde genutzt, um aus verschiedenen Modellvarianten einen Trainingsdatensatz zu generieren, der als Grundlage für eine digitale Wissensrepräsentation dient, die die Ingenieurserfahrung nachbildet. Als Konzept wird auf diesen Datensatz ein Algorithmus aus dem Bereich der neuronalen Netze angewendet. Die damit verfolgte Intention ist es, den Lernfortschritt über die Abschätzung des Einflusses von Modellierungsentscheidungen auf Simulationsergebnisse zu simulieren. Diese Forschungsarbeit zeigt eine ganzheitliche Strategie auf und beschreibt Methoden, um die Ziele der Verringerung des manuellen Aufwands, der Einführung eines automatisierten und geometriebasierten Prozesses und der digitalen Replikation von Ingenieurserfahrung durch die Einführung einer Wissensdatenbank zu erreichen. KW - Engineering KW - Automation KW - Artificial intelligence KW - Design KW - Machine learning KW - Automatisierung KW - Simulation KW - Künstliche Intelligenz KW - CAD KW - FEM KW - Automatisierung KW - CAD KW - Finite-Elemente-Methode KW - Künstliche Intelligenz KW - Simulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65308 ER -