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Structures for interconnecting active microwave semiconductor-devices, e.g. FET's and MIC's, with the electrical surrounding or with each other have to be designed more and more carefully when increasing the desired upper frequency limit. Therefore, several connecting structures for device embedding have been examined. Mainly, their applicability for the frequency range from 10 GHz to 100 GHz was considered. Additionally, different equivalent circuits were developed to approximately describe their behaviour for CAD-applications.
Die Wichtigkeit des Faches FEM ist sicher unumstritten. Um in der gegebenen Zeit eine ausreichende Einarbeitung in die Methode und die Uebung am Rechner durchfuehren zu koennen, ist der Einsatz eines auf PC lauffaehigen FE-Lernprogramms eine gute Hilfe. Sind die Grundlagen da, weiss der Student, welche Eingaben bei einem FE-Programm zu machen sind. Fuer manche Fachgebiete genuegt schon die Arbeit mit einem solchen Programm. Sind entsprechende Uebungen mit dem Lernprogramm erfolgt, kann auf professionellen Programmen wie z.B. CAEDS das Zusammenspiel CAD/FEM ernsthaft betrieben werden. Es sollte ein Fachsemester ausgesucht werden, in dem CAD und FE angeboten wird. Dieses Fachsemester sollte, um den Nutzen der FEM in moeglichst vielen Fachgebieten zu haben, zum Ende des Grundstudiums, spaetestens aber zu Beginn des Hauptstudiums liegen.
The advantages of the coupling-of-modes (COM) formalism and the transmission-matrix approach are combined to create exact and computationally efficient analysis and synthesis CAD tools for the design of SAW-resonator filters. The models for the filter components, especially gratings, interdigital transducers (IDTs). and multistrip couplers (MSCs), are based on the COM approach, which delivers closed-form expressions. In order to determine the relevant COM parameters, the integrated COM differential equations are compared with analytically derived expressions from the transmission-matrix approach. The most important second-order effects such as energy storage, propagation loss and mechanical and electrical loading are fully taken into account. As an example, the authors investigate a two-pole, acoustically coupled resonator filter at 914.5 MHz on AT quartz. Excellent agreement between theory and measurement is found.
Im Rahmen eines GPS-Projektes ist an der Fachhochschule Offenburg ein Konzept für einen experimentellen Navigationsempfänger entstanden. Hierfür wurde der digitale Teil entwickelt und aufgebaut. Für die Realisierung der Schaltung sollten benutzerprogrammierbare Gate Arrays von Xilinx (LCAs) verwendet werden, die sich schon bei einer anderen Arbeit an der Fachhochschule bewährt hatten.
Nachfolgend möchte ich dem Leser einen Überblick über das GPS-System und die Entwicklung der LCAs geben.
Die Elektronikindustrie bietet für die Realisierung digitaler Logik eine Vielzahl integrierter Bausteine an, die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit als auch Integrationsdichte ermöglichen.
Je nach Integrationsdichte unterscheidet man hierbei zwischen Standardlogik (TTL,CMOS,DTL...), programmierbarer Logik (PLA, GAL...), Gate Arrays und ASIC-Bausteinen. Mit steigender Integrationsdichte werden Systemeigenschaften verbessert, wie Leistungsverbrauch, Platzbedarf, und Zuverlässigkeit.
Jedoch steht ihr auch ein stark erhöhter Kosten- und Entwicklungsaufwand gegenüber, der den Einsatz hochintegrierter Bausteine in Einzelfertigung bzw. Kleinserien verhindert.
Xilinx bietet nun mit seiner LCA-Produktreihe (logic cell array) eine Alternative zu bestehender hochintegrierbarer Logik an, mit der es möglich sein soll, Vorteile der genannten Einzelproduktgruppen zu übernehmen, und deren Nachteile zu beseitigen.
Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde ein solcher LCA-Baustein (XC3020) eingesetzt. Anhand der gegebenen konkreten Anwendung konnte hierbei untersuch twerden, wie schnell sich ein solcher Baustein in bestehende Hardware eingliedern läßt, und welche Integrationsdichte er ermöglicht.
Im Folgenden sollen nun als Schwerpunkte das Einsatzgebiet, die Entwicklung und die Simulation des LCA bei vorliegender Aufgabenstellung aufgezeigt werden.
An der FH Offenburg arbeiten seit Ende 1989 in einem Team die Professoren Dr. Jansen, Dr. Schüssele, die wissenschaftlichen Mitarbeiter Bernd Reinke, Martin Jörger und die Diplomanden Hans Fiesel, Otmar Feißt an dem Entwurf eines Nachrichtenempfängers. Im Rahmen dieses Projekts, genannt GPS-Projekt (GPS = Global Positioning System), wurde im Herbst 1990 ein experimenteller Empfänger in Betrieb genommen. Nachdem die Testergebnisse gezeigt hatten,daß das Konzept der Anlage stimmte, ging es nun um die Miniaturisieriung, Integration und Optimierung der Schaltung. Außerdem sollte der bisher verwendete PC durch einen auf der Platine befindlichen Mikroprozessor ersetzt werden. Im Zusammenhang mit dem GPS-Projekt wurden bisher im Offenburger ASIC-Labor eine Analogschaltung auf einem B500, drei LCA Designs und diverse GAL's entwickelt.
Zur Zeit arbeiten mehrere Diplomanden an der zweiten Generation des Empfängers. Meine Aufgabe besteht darin, die dort noch in drei LCA's untergebrachte digitale Logik sowie einen Teil des bisherigen PC-Interface in einem IMS Gate Forrest zu integrieren. Außerdem muß die Logik von 8 Bit auf einen 16 Bit breiten Datenbus umgestellt und an die neue Peripherie des Mikroprozessors angepasst werden. Damit soll die jetzige Digital-Platine noch weiter verkleinert werden. Wesentlich ist dabei die Umsetzung der zahlreichen Zähler- und Registerstrukturen in einem Gate Forrest. Als Arbeitsmittel stehen Apollo Workstations mit Mentor Software zur Verfügung.
Seit einiger Zeit wird an der Fachhochschule in Offenburg ein Entwicklungsprojekt verfolgt, an dessen Ende ein GPS Empfänger stehen soll. Dabei handelt es sich um einen Satellitenempfänger, mit dem weltweit eine genaue dreidimensionale Standortbestimmung durchgeführt werden kann. Für diesen Empfänger sollte ein Großteil der Analogschaltung, bestehend aus ZF Verstärker, Costas Loop Synchrondemodulator und Pegeldetektor, in das Transistorarray B500a von AEG intgriert werden. Das Chipdesign wurde im Labor für ASIC Design an der FH Offenburg während des Wintersemesters 1990/91 erstellt. Gefertigt wurde der Chip von der Firma AEG in Ulm, wobei die Fertigungszeit des ASIC 6 Wochen betragen hat.
Die Fachhochschule Offenburg bietet seit dem Wintersemester 1990/91 den Studenten des Fachbereichs Nachrichtentechnik das Wahlpflichtfach ASIC-Design an. Schon kurz nach der Errichtung des ASIC-Design-Centers im Frühjahr 1990 ermöglicht sie damit künftigen Ingenieuren eine Ausbildung in einem Bereich, der in der modernen Schaltungsentwicklung nicht mehr wegzudenken ist.
An investigation is underway regarding the usefulness of altazimuth-mounting telescopes' incorporation of laser gyros for pointing and fiber gyros with extremely small random-walk coefficient for telescope inertial stabilization during tracking. A star tracker is expected to help stabilize long-term gyro bias. Gyro and telescope specifications have been derived by means of computer simulations and systems analyses.
Digitaler Phasenreglerkreis mit numerisch gesteuertem Oszillator als LCA-Microcontroller Kombination
(1992)
Am Beispiel einer Schrittmotor-Indexerschaltung wird der effektive Einsatz von konfigurierbaren Logic Cell Arrays in Zusammenwirkung mit einem Mikrokontroller demonstriert, wobei die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des LCAs den Bereich der Schaltung übernimmt und im Regelkreis die arithmetrische Berechnung durchführt. Die Konfiguration des LCA aus dem EPROM des Controllers führt zu einer ungewöhnlichen Flexibilität des Entwurfs und ermöglicht zahlreiche andere Anwendungen mit dieser Architektur.
Die Fachhochschule Offenburg bietet den Studenten des Fachbereichs Nachrichtentechnik seit Ende 1990 das Wahlfach "Entwicklung integrierter Anwenderschaltkreise (ASIC)" an. Ziel des Wahlfachs ist es, den Studenten Grundkenntnisse im Entwurf eines ASIC's zu vermitteln, und wie im folgenden Beitrag aufgezeigt, die Möglichkeit zu bieten, den gesamten Entwurfszyklus von der Schaltungsentwicklung bis hin zur Fertigungsmaske zu durchlaufen.
Bei thermischen Konvektionsströmungen ist der Einfluß von Geometrie und Randbedingungen für die Strömungsform und den konvektiven Wärmetransport von wesentlicher Bedeutung. Mit Hilfe der optischen Strömungsmeßtechnik (Differentialinterferometrie) wurde die freie Konvektion in einem quaderförmigen Behälter mit seitlicher Beheizung untersucht. Der Aufbau und die Experimente werden beschrieben. Die quantitative Auswertung von Dichte- und Temperaturfeldern aus den Differentialinterferogrammen wird aufgezeigt und der Einfluß unterschiedlicher Randbedingungen wie feste und freie Oberfläche auf die Strömungsform und den Wärmetransport dargelegt. Die eingesetzte Differentialinterferometrie zeigt aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Versuchsbedingungen und durch den einfachen Aufbau spezifische Vorteile gegenüber dem Mach-Zehnder Interferometer.
Mit zunehmend komplexer werdenden Schaltungen wachsen auch die Anforderungen an die Entwicklung einer entsprechenden Leiterplatte. Mit der BOARD-Station von MENTOR-Graphics können professionelle Leiterplatten entwickelt werden.
Im Rahmen dreier Entwicklungsprojekte an der Fachhochschule Offenburg wurden mehrere aufwendige Layoutentwürfe mit der BOARD-Station in verschiedenen Diplomarbeiten durchgeführt. Im Folgenden wird über die dabei gewonnenen Erfahrungen berichtet.
Erstellen von Hardmakros und Aufbau einer Zellbibliothek unter Verwendung des ES2-Library-Kits
(1993)
Es wird eine Anleitung zur Erstellung von Hardmakros mit der Mentor-Graphics-Software gegeben. Die Hardmakros werden mit Standardzellen aus der ES2-Bibliothek der Firma EUROCHIP aufgebaut. Die Hardmakros werden in eine eigenständige Bibliothek abgelegt und können in neuen Chip-Designs verwendet werden.
Für die Implementation in ASIC's wurde ein kompakter Mikroprozessor-Kernel als Standardzellen-Makro entworfen. Durch konsequenten Einsatz von Hochsprachen und CAE-Werkzeugen (VHDL, Synthese) konnte ein vollständiges Design in nur vier Monaten durchgeführt werden. Der Prozessor wird in einem Testchip erprobt.
Bei einem neuen Kühldeckensystem wird die Luft im Deckenhohlraum oberhalb der abgehängten Decke durch Konvektoren gekühlt, wobei die Wärmeübertragung ausschließlich durch freie Konvektion und Strahlung erfolgt. Die abgehängte Decke nimmt durch Strahlung und freie Konvektion Wärme aus dem darunterliegenden Büroraum auf und gibt sie über freie Konvektion an die Luft im Deckenhohlraum sowie durch Strahlung an die Begrenzungsflächen des Deckenhohlraumes ab. Die vom Kühlwasser durchströmten Rippenrohre nehmen ihrerseits Wärme aus der Luft im Hohlraum auf, die infolge der freien Konvektion durch die Rippenrohre strömt. Zur Aufnahme des bei starker Belastung und Dauerbetrieb anfallenden Kondensats ist unterhalb des Konvektors eine Kondensatauffangwanne angebracht. Mit dem von Rutsch erstellten Rechenprogramm ist es möglich, für verschiedenste Randbedingungen die Rippenrohre auf maximale Kühlleistung zu optimieren. Voraussetzung für die direkte Anwendung dieses Berechnungsverfahrens sind jedoch ungestörte An- und Abströmbedingungen der Luft am Konvektor. Neben der Optimierung der Rippenrohre auf Kühlleistung ist für den Aufbau der eigentlichen Decke die Luftströmung im Deckenhohlraum und die Austrittstemperatur aus den Konvektoren von entscheidender Bedeutung. Die maximale Kühlleistung der Rippenrohre kann nur erreicht werden, wenn alle Einzelrippenrohre nahezu gleichmäßig durchströmt werden und günstige Abströmverhältnisse vorhanden sind. Die Strömungsverhältnisse im Deckenhohlraum und innerhalb der Konvektoren wurden durch Rauch sichtbar gemacht und auf Video aufgezeichnet. Entscheidenden Einfluß auf die Temperaturverteilung an der Kühldecke haben die Breite des Konvektors, die Konstruktion der Kondensatauffangwanne, der Abstand der Konvektoren voneinander und der Konvektortyp. Direkt unterhalb der Kondensatauffangwanne beträgt die Temperaturdifferenz ca. 3 K. Der Temperaturgradient im Abströmbereich liegt bei ca. 0,2 bis 0,3 K/m.
A polarization mode dispersion measurement set-up based on a Mach-Zehnder Interferometer was realized. Measurements were carried out on short high-birefringent fibers and on long standard telecommunication single-mode fibers. In order to ensure high accurate results, special emphasis was placed on the evaluation of the interference pattern. The procedure will be described in detail and practical measurement results will be presented.
The prototype of an optical gyro encoder (OGE) has been successfully tested on the NTT telescope in September '93. The OGE consists of a ring laser gyro and a fiber optic gyro with their input axis parallel. The gyro outptu signals are compensated for earth rotation and misalignment and are subsequently integrated to get the angles. An adaptive digital control loop locks the fiber optic gyro to the laser gyro data. Thus the combined output has the precision of the laser gyro and the low noise of the fiber optic gyro. Specifically, the bias stability is better than 2 X 10-3 deg/h, the scale factor accuracy better than 1 ppm, the random walk coefficient better than 5 X 10-4 deg/(root)h and the resolution better than 3 X 10-4 arcsec. The OGE has been mounted in the altitude and in the azimuthy axis of the telescope. The data were compared with the telescope disk encoder data. The test data show that the pointing accuracy is about 1 arcsec and the tracking accuracy 0.1 arcsec over a time of 30 seconds. This accuracy is sufficient for the very large telescope, for instance.
This paper treats the Brillouin backscattering in a single mode optical fiber and its implications on the Brillouin Ring Laser Gyroscope (BRLG). The BRLG consists of a fiber ring cavity in which stimulated Brillouin scattering is induced and provides two resonant counterpropagating backscattered waves. If this cavity is rotating around its axis, the backscattered waves get different resonant frequencies because of the Sagnac effect. The frequency difference is proportional to the rotation rate (Omega) by inducing a frequency offset between the counterpropagating waves. Some reported Brillouin spectra exhibit several peaks, which means that one pump wave provides at least two backscattered waves with distinguishable frequencies. In order to understand this multi-backscattering and to take advantage of it for the BRLG, we present results of a simulation of the Brillouin backscattering in a single mode optical fiber.
Massiv- Heiz-/Kühldecken bestehen im wesentlichen aus in der tragenden Deckenkonstruktion eingegossenen Kunststoffrohren, die je nach Jahreszeit von Heiz- bzw. Kühlwasser durchströmt verden. Das instationäre Verhalten wurde mit dem Anlagen und Simulationsprogramm TRNSYS untersucht. Anhand ausgesuchter Ergebnisse können die Anforderungen an die notwendigen Regelkonzepte abgeleitet werden. Es eignen sich für derartige Systeme, insbesondere wegen ihrer großen Speicherfähigkeit und damit Trägheit, modifizierende selbstadaptierende Regler. Aufgrund der großen Trägheit der Massivdecke ist eine direkte außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung des Wasserstromes nicht sinnvoll. Es sollte ein selbstadaptierendes Regelsystem verwendet werden, das anhand der vorangegangenen Lastverläufe die Gebäudekonstante und damit das Speicherverhalten der Räume ermittelt. Damit der Regelaufwand reduziert werden kann, sollen mehrere Räume als Gruppe zusammengefaßt werden. Als weitere Größe für das Regelkonzept ist die Speichertemperatur am Ende der Ladezeit zu messen und in das Programm mit einzubinden.
Die Untersuchungen wurden im Raumlufttechnischen Labor der Fachhochschule Offenburg zur Beurteilung der Effizienz der Schadstoffabfuhr unter Einhaltung der thermischen Behaglichkeit beim Einsatz verschiedener Luftführungssysteme- Quellauslaß, Deckendrallauslaß und Fußbodenauslaß- in Verbindung mit einer Kühldecke durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß keine signifikanten Vorteile für ein bestimmtes RLT-Konzept bestehen. Je nach Wahl der Randbedingungen der Untersuchungen liegen die erreichbaren Kühlleistungen innerhalb einer Systemkombination weiter auseinander als im Verhältnis zu den Vergleichssystemen. Insgesamt ist hinsichtlich der von beiden Systemen zusammen abgebbaren, maximalen Kühlleistung die Kombination Kühldecke mit Deckendralluftauslaß vorteilhaft.
Vortex breakdown phenomena in rotating fluids are investigated both theoretically and experimentally. The fluid is contained in a cone between two spherical surfaces. The primary swirling motion is induced ba the rotating lower boundary. The upper surface can be fixed with non-slip condition or can be a stress-free surface. Depending on these boundary conditions and on the Reynolds number, novel structures of recirculation zones are realized. The axisymmetric flow patterns are simulated numerically by a finite difference method. Experiments are done to visualize the topological structure of the flow pattern and to observe the existence ranges of the different recirculating flows. The comparison between theory and experiment shows good agreement with respect to the topological structure of the flow.
An der Fachhochschule Offenburg wurde im Sept. 93 das Projekt eines implantierbaren 16 Bit Mikroprozessor-Kernels FHOP ins Leben gerufen. Ausgehend von dem in einem Testchip erfolgreich erprobten umstrukturierten Entwurf wurde durch gezielten Einsatz von strukturiertem Routen unter Nutzung der Fähigkeiten zum hierarchischen Arbeiten in der MENTOR-IC-Station eine erheblich verkleinerte und flächenmäßig optimierte Struktur abgeleitet, die sich mit 4 Quadratmilimetern Fläche durchaus mit kommerziellen Mikroprozessor-Kerneln vergleichen läßt.
FHOP-Mikroprozessor-Kernel
(1995)
Die Geschäftsleitung und Führungskräfte von Eller Repro+Druck beschlossen im Juli 1994 die Teilnahme am damls noch neuen EU-Öko-Audit. Die Durchführung des Audits ist für 1996 geplant. Zwei Diplomanden der FH Offenburg wurde die Möglichkeit gegeben, als externe Berater für Eller Repro+Druck ihre Diplomarbeit über die Vorbereitung zum Öko-Audit zu schreiben. Der Betrieb (170 Mitarbeiter) verfügt über elektronische Bildverarbeitung auf Scitex- und Mac-Schiene, derzeit noch konventionelle Plattenkopie und -entwicklung, fünf Offsetrotationen sowie Weiterverarbeitung mit Sammelheftern und Falzmaschinen. Der Referent berichtet über die Erfahrungen, die sein Unternehmen bis zum Herbst 1995 mit der Vorbereitung zum Öko-Audit gemacht hat, und gibt Praxistips. Zusammen mit den Beratern wurden eine Aufnahme der betrieblichen Situation durchgeführt, Maßnahmen geplant und zum Teil durchgeführt.
Nach dem Nachweis der Funktionalität des an der Fachhochschule Offenburg entwickelten Mikroprozessorkernels FHOP (First Homemade Operational Processor), wird eine Anwendung des Kernels in einem Applikationschip beschrieben.
Der Thermologger-ASIC soll mit Hilfe eines Temperatursensors die Umgebungstemperatur bei technischen Prozessen in regelmäßigen Zeitabständen erfassen und abspeichern. Die Meßwerte werden bei Bedarf ber eine serielle Schnittstelle des Thermologger-ASICs an einen PC übertragen und ausgewertet. Zur Verringerung der Leistungsaufnahme wird zwischen zwei Temperaturmessungen in einen Power-Down-Mode geschaltet.
Der ASIC soll später in einer Chipkarte integriert werden.
Im Frühjahr 1995 entstand die Idee, einen Lottozahlengenerator als Demonstrations- und Studienobjekt, für die Anwendung komplexer digitaler Entwurfsmethoden, zu entwerfen. Mit Hilfe der Schaltung ist es möglich, 6 verschiedene Zahlen zufällig aus 49 Zahlen zu ermitteln. Bei der Ziehung der einzelnen Zahlen werden verschiedene Töne und Melodien erzeugt. Die Schaltung ist so konzipiert, daß eine einfache Bedienung möglich ist. Der Chip wurde als Standardzellen-Entwurf mit einer Fläche von ca. 7 um² geroutet.
Als Fortsetzung des FHOP-Projektes wurde an der Fachhochschule Offenburg auf Basis des bestehenden Mikroprozessorkerns im Rahmen einer Diplomarbeit ein Mikrocontroller in ES2-0.7 μm-Technologie entworfen. Der Controller wurde modular aufgebaut mit den Komponenten: FHOP-Mikroprozessor, Buscontroller, Waitstate-Chipselect-Einheit, 16x16 Bit Multiplizierer, 2KB ROM, 256 Byte RAM, Watchdog, PIO mit 16 konfigurierbaren Ports, SIO, 2 Timer und ein Interruptcontroller für 8 Interrputquellen.
Der Chip benötigt bei einer Komplexität von ca. 65400 Transistoren eine Siliziumfläche von etwa 27 mm². Er wurde im September 1996 zur Fertigung gegeben und mittlerweile erfolgreich getestet. Das interne ROM des Mikrocontrollers enthält das BIOS sowie ein Testprogramm. Zur Erstellung der Software steht eine komplette Entwicklungsumgebung zur Verfügung. Sämtliche Komponenten stehen im FHOP-Design-Kit in Kürze zur Verfügung.
Durch den verstärkten Einsatz von EDV-Geräten an den Arbeitsplätzen in Büroräumen stiegen die flächenbezogenen inneren Kühllasten deutlich an. Für die Arbeitsplätze in Fensternähe müssen EDV-gerechte Lichtverhältnisse vorhanden sein. Es werden Versuchsergebnisse eines neu entwickelten Kühlkonvektors im Fensterbereich im Zusammenhang mit Innenjalousien vorgestellt. Dieser Kühlkonvektor eignet sich auch für den kombinierten Einsatz mit Kühldecken und raumlufttechnischen (RLT)-Anlagen, wie weitere Versuche bestätigen. Der Kühlkonvektor kann auch beim Ersatz von Induktionsgeräten angewandt werden, die z.B. nach dem 4-Leiter-Prinzip angeschlossen sind. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß mit der Kombination von Kühldecke, Kühlkonvektor und RLT-Anlage große flächenbezogene Kühllasten abgeführt werden können, ohne daß dadurch die thermische Behaglichkeit negativ beeinflußt wird. Der Luftstrom läßt sich auf das hygienisch bzw. auf das zur Entfeuchtung notwendige Maß reduzieren, wodurch sich die Betriebskosten senken. Der Anteil der drei Komponenten an der gesamten Kühllast beträgt im Mittel: 15 % RLT-Anlage, 15 % Kühlkonvektor und 70 % Kühldecke.