The design and utilization of a delay-locked loop based clock generator

Tässä diplomityössä on esitetty korkean taajuuden kellogeneraattori joka perustuu viivelukitun silmukan topologiaan. Työ on osa Euroopan avaruusjärjestölle tehtyä tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa korkean kellotaajuuden analogia-digitaali (AD) -muunninmikropiiri. Toteutetun AD-muuntimen topologia on aikalomitettu rinnakkaisliukuhihna -tyyppinen, jossa muunnoksesta vastaavat 24 rinnakkaista liukuhihnayksikköä. Muuntimen nopeusvaatimukseksi asetettiin 2 GS/s näytteistysnopeus ja muunnoksen todelliseksi resoluutioksi 8 efektiivistä bittiä. Diplomityö käsittelee AD-muuntimen kellogeneraattorin suunnittelu- ja toteutusvaiheita sekä prosessoitujen mikropiirien mittauksia. Viivelukittuun silmukkaan perustuva kellogeneraattori tuottaa 24 tasavälein viivästettyä 78 MHz:n kellosignaalia AD-muuntimen rinnakkaisliukuhihnoille. Suunnittelussa on kiinnitetty erityistä huomiota kellosignaalien ajoitusjitterin sekä viivevirheiden minimointiin. Työn alkuosa käsittelee pääosin kellogeneraattorin suunnitteluun sekä toteutukseen liittyviä seikkoja. Lisäksi työssä on esitetty lyhyt katsaus AD-muunninten topologioista ja näihin vaikuttavista näytteistysilmiöistä. Työn loppuosassa tarkastellaan kellogeneraattoripiirin viimeisimmän version mittauksia sekä viiveenkalibrointia. Piirin lopulliset mittaustulokset määrittävät kellosignaaleiden ajoitusjitteriksi alle 1 ps ja maksimi viivevirheeksi noin 43 ps, joka on kalibroitavissa pois 0,5 ps tarkkuudella 8-bittisellä kalibrointilohkolla. Koska kellosignaalin virheitä ei aluksi kyetty määrittämään suoraan AD-muuntimen ulostulospektristä, jouduttiin signaalit mittaamaan testilevyiltä. Mittausjärjestelmän mitattavaan signaaliin lisäämän kohinan sekä muiden virheiden vuoksi voidaankin päätellä, että todelliset 24 kellosignaalia jotka kytkeytyvät AD-muuntimen rinnakkaisliukuhihnoille, ovat mitattuja testisignaaleja parempilaatuiset. Mikropiiri on toteutettu Austria Microsystemsin (AMS) 0,35 μm:n SiGe BiCMOS-prosessiteknologialla, mutta kellogeneraattorilohkossa on käytetty ainoastaan CMOS-teknologiaa.This master's thesis presents a high-speed clock generator based on a delay-locked loop (DLL) topology. The thesis is a part of the European space agency's (ESA) research project where an analog-to-digital (AD) -converter was designed and implemented. The topology of the implemented AD-converter is a time-interleaved based where the conversion is handled by its 24 interleaved pipeline stages. The resolution of the converter was designed to be 8 effective bits and the sampling speed 2 GS/s. The thesis presents the designing and implementation of the clock generator that is designed for the target AD-converter. The delay-locked loop based clock generator generates 24 equally spaced phases that are each running at the speed of 78 MHz. The main focus of the design process has been on minimizing the amount of timing jitter and skew from the generated clock signals. The first part of this thesis mainly discusses the designing and implementation of the clock generator. Also the AD-converter topology and some of its sampling phenomenon are described briefly. The final part presents the measurement and skew calibration results of the clock generator's final version. The final measurements of the DLL-clock generator defines that the maximum timing jitter and skew for the output phases are 1 ps and 43 ps respectively. The skew can be calibrated using the 8-bit skew calibrator with 0.5 ps accuracy. Because either the timing jitter or the skew could not be measured at first directly from the output spectrum of the AD-converter, a test measurement board had to be used. This adds extra noise and error components into the measured signals. Due to this it can be expected that the real phases that are generated for the 24 interleaved fingers of the AD-converter are better than the measured ones. The microchip has been implemented with Austria Microsystems (AMS) 0.35 μm SiGe BiCMOS process technology, but only CMOS-transistors were used in the clock generator block

Terätehtaan kiinteistöautomaation modernisointi ja energianhallinta

Tässä opinnäytetyössä esitellään kiinteistöautomaation teoriaa ja osallistutaan Valkeakoskella sijaitsevan Valmet Technologies Oy:n jauhimia valmistavan Terätehtaan kiinteistöautomaation modernisoinnin projektiin samalla etsien tehtaalta erilaisia energianhallinnallisia säästökohteita. Ennen kiinteistöautomaatiojärjestelmän modernisoinnin suorittamista on tärkeää selvittää, mitä tulisi parantaa ja mihin kiinnittää huomiota modernisoinnissa. Vaihtoehtoisia kiinteistöautomaatiojärjestelmiä tutkittiin ja ratkaisut esitellään kahdelta eri valmistajalta. Tehtaan vaihtelevat olosuhteet luovat haasteellisen ympäristön kiinteistöautomaatiojärjestelmälle ja kenttälaitteille, joten selvitystyötä tehtiin nykyisen laitteiston kunnosta. Lopuksi pohditaan, kumpi kiinteistöautomaatiojärjestelmä sopii tehtaalle paremmin. Lisäksi käydään läpi tehtaalta löydetyt ongelmalliset energiaa kuluttavat kohteet sekä suositellaan parannuskeinoa.The aim of this thesis was to introduce the theory of building automation and to take part in to the modernization project of a building automation system at Terätehdas, which is owned by Valmet Technologies Oy in Valkeakoski, meanwhile surveying the plant as to energy management issues. Before the modernization of the building automation system was carried out, it was important to figure out the key points of consideration and improvement in the modernization project. An examination of alternative building automation systems was performed and as a conclusion, two systems are presented in this thesis from two different manufacturers. Because of the challenging environment at the plant for the building automation system and field devices due to varying conditions there, a condition assessment of the state of the devices was performed here as well. The right selection of the building automation system for the plant is discussed here as well. The issues found in energy management are presented here and a proposed decision is recommended

Development of systematic control loop performance monitoring tool

Teollisuuden prosesseja ohjaavat automaatiojärjestelmät ja niiden komponentit ovat mahdollistaneet kompleksisten kokonaisuuksien hallinnan. Tuotantotasojen kasvun, energiatehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden myötä myös automaatiojärjestelmän toimintaan on alettu kiinnittää entistä enemmän huomiota. Muuttuneiden olosuhteiden tai vääränlaisen suunnittelun tuloksena automaatiojärjestelmä ei välttämättä toimi suunnitellulla tavalla. Heikko suorituskyky vaikuttaa yksittäisten säätöpiirien kautta koko prosessin tehokkuuteen ja se tulisi havaita, jotta kunnossapitotoimenpiteet ja kehitys osataan kohdistaa oikein. Teollisuuden prosessien tehokas ylläpito ja kehitys vaativat parempaa tilannetietoisuutta automaatiojärjestelmän toiminnasta. Tämän työn tavoitteena on kehittää säätöpiirien suorituskykytyökalu, jonka avulla voidaan havaita historiatietokantaan tallennetun datan perusteella kohteet, joissa on ongelmia ja joihin panostamalla on mahdollista parantaa prosessin toimintaa ja ennaltaehkäistä tulevia vikoja. Säätöpiirien suorituskykytyökalun ominaisuudet toteutetaan perustuen kaupallisiin ohjelmistoihin, tutkimustuloksiin ja prosessihenkilökunnan havaintoihin. Suorituskykytyökaluun toteutettaviksi tarkasteltaviksi suureiksi valitaan asetusarvon seuranta, asetusarvon muutokset, ohjauksen saturaatio, ohjauksen vaihtelu, oskillointi ja säätimen tilan tarkkailu. Säätöpiirien suorituskyky arvioidaan laskettujen ominaisuuksien perusteella. Suorituskykytyökalu toteutetaan osaksi Wedge prosessidiagnostiikkajärjestelmää. Toteutettua suorituskykytyökalua testataan Boliden Harjavallan yhdellä rikkihappotehtaalla ja tulokset käydään läpi prosessihenkilökunnan kanssa niiden validoimiseksi. Toteutetun suorituskykytyökalun avulla kyetään löytämään suuresta kokonaisuudesta sellaiset säätöpiirit, joiden toiminnassa on ongelmia. Suorituskykytyökalun avulla on myös mahdollista havaita toteutettujen kehitystoimenpiteiden vaikutus säätöpiirin suorituskykyyn. Suorituskykytyökalun käyttöönotto uudessa kohteessa vaatii prosessituntemusta ja tulosten tarkastelussa prosessituntemuksen merkitys kasvaa. Toteutetun suorituskykytyökalun tuloksista prosessituntemusta omaava henkilö kykenee näkemään kohteet, joiden kehittämisellä on suurin merkitys kokonaisprosessin toimintaan. Toteutettu suorituskykytyökalu täyttää sille asetetut vaatimukset ja sen toimintaa olisi järkevä kehittää ja laajentaa myös muihin prosesseihin

Happisaturaation mittaaminen puettavilla laitteilla

Veren happisaturaatio on tärkeä fysiologinen parametri, joka kuvaa veressä olevan hapen määrää ja antaa tärkeää tietoa kudosten hapensaannista. Happisaturaatio voidaan määrittää fotopletysmografiamittauksen (engl. photoplethysmography, PPG) avulla. Usein happisaturaatio mitataan sormenpäähään kiinnitettävällä pulssioksimetrilla, joka rajoittaa käyttäjän normaaleja toimintoja. Käyttäjää häiritsemättömät puettavat laitteet, kuten älykellot ja -sormukset, tarjoavat uusia mahdollisuuksia happisaturaation mittaamiseen. Tämän työn tavoitteena on esitellä puettavilla laitteilla toteutettavien happisaturaatiomittauksien mahdollisia anturiratkaisuja, mittauksiin liittyviä haasteita ja tulevaisuudennäkymiä. Happisaturaatiota mittaavissa puettavissa laitteissa voidaan hyödyntää erilaisia anturiratkaisuja. Erilaisilla anturiratkaisuilla pyritään mittaamaan mahdollisimman hyvälaatuista PPG-signaalia sovelluskohteeseen parhaiten soveltuvalla tavalla. PPG-mittauksessa voidaan vaikuttaa esimerkiksi mittauspaikan valintaan tai PPG-anturissa käytettäviin ratkaisuihin, kuten valonlähteen ja valoanturin sijoitteluun toisiinsa nähden. Tällä hetkellä happisaturaatiota on mahdollista mitata vain harvoilla puettavilla laitteilla, sillä mittauksiin liittyy useita ratkaisemattomia haasteita. PPG-signaaliin aiheutuu esimerkiksi helposti liikeartefaktaa eli mittausanturin liikkumisesta aiheutuvaa kohinaa. Lisäksi anturin mittauspaikkaan kohdistaman voiman tulee olla sopiva, jotta mitattava signaali olisi hyvälaatuista. Yksilöiden väliset erot esimerkiksi ihonvärissä tai painoindeksissä aiheuttavat myös vaihtelevuutta mittaustuloksiin. Jos nämä haasteet onnistutaan ratkaisemaan, tulevaisuudessa puettavilla laitteilla toteutettavaa happisaturaatiomittausta voitaisiin käyttää useissa sovelluskohteissa. Puettavilla laitteilla toteutettava happisaturaatiomittaus mahdollistaa ajasta ja paikasta riippumattoman jatkuva-aikaisen monitoroinnin. Ajasta ja paikasta riippumattoman monitoroinnin ansiosta joitakin kliinisessä ympäristössä aikaa vieviä tutkimuksia, kuten unen seurantaa, voitaisiin tulevaisuudessa toteuttaa mahdollisesti myös kotioloissa. Erityisesti keuhkosairauksia sairastavat potilaat voisivat hyötyä jatkuva-aikaisesta happisaturaation mittaamisesta kotioloissa, sillä keuhkosairauksia sairastavilla potilailla happisaturaatiolukemat voivat olla sairauden vuoksi normaalia matalampia

Bluetooth 5 -järjestelmäpiirit ja -kehitysalustat

Tiivistelmä. Tässä työssä tutkitaan Bluetooth 5 -järjestelmäpiirien (eng. System-on-Chip, SoC) ominaisuuksia ja tutustutaan erilaisiin kehitysalustavaihtoehtoihin. Työssä käydään läpi Bluetooth-järjestelmäpiirien eri osia mm. prosessorit, muistit, väylät ja oheismoduulit. Lisäksi vertaillaan muutaman eri valmistajan piirien ominaisuuksia, suorituskykyä ja tehonkulutusta. Kehitysalustoissa keskitytään harrastajille soveltuviin malleihin rajaamalla hankintahinta alle sataan euroon.Bluetooth 5 System on Chip and development kits. Abstract. In this project, features and implementation of Bluetooth 5 System-on-Chips (SoC) and development kits were studied. The work presents different parts of Bluetooth SoC i.a. processors, memories, busses and peripherals. In addition, features, performance and power consumption of Bluetooth chips from a few different manufacturers are compared. Focus is on development kits that are affordable for hobbyist, therefore budget for development kit was below one hundred euros

Design of a broadband RF-frontend for cognitive radio

Tämän diplomityön tavoitteena oli toteuttaa laajakaistainen RF-etupää kognitiivisen radion spektrisensoriin. Suunnittelussa keskityttiin erityisesti hyvän lineaarisuuden saavuttamiseen, koska vastaanottimen tulee kyetä sietämään suuria häiriösignaaleita ilman, että signaalin vastaanotto häiriintyy. Tavoitteen saavuttamiseksi työssä tutkittiin olemassa olevia tekniikoita, joilla voidaan parantaa RF-etupään lineaarisuutta sekä tarkasteltiin niiden soveltuvuutta kognitiiviseen radiovastaanottimeen. Suurin haaste laajakaistaisen RF-etupään toteutuksessa on hyvän lineaarisuuden, alhaisen kohinaluvun ja riittävän vahvistuksen saavuttaminen alhaisella tehonkulutuksella. Niiden saavuttamiseksi työssä tutkittiin kohinaa kumoavia ja lineaarisuutta parantavia vahvistinrakenteita. Lisäksi sekoittimen valintaa ja vastaanottimen muiden lohkojen suunnittelua hyödynnettiin koko vastaanottimella saavutettavan lineaarisuuden parantamiseen. Laajakaistaisen RF-etupään lisäksi toteutettiin kantataajuuspuskuri. Kognitiivisen radion spektrisensoriin toteutettu radiovastaanotin kattaa LTE-taajuuskaistan 0,7 - 2,6 GHz ja saavuttaa 2 dBm lineaarisuuden, joka on kognitiivisen radion spektrisensorin häiriösignaalien asettamaa lineaarisuusvaatimusta suurempi. Vastaanottimen kohinaluku on 10 dB ja keskimääräinen vahvistus 32 dB. Piirin pinta-ala on 0,8 mm2.The purpose of this Master's Thesis was to implement a broadband RF-frontend for a cognitive radio spectrum sensor. The main focus in the designing was to achieve high linearity. Broadband receiver has to be able to withstand large interference signals so that signal reception won't be disturbed. Therefore, several linearity improvement techniques for RF-frontends were researched and their compatibility for a cognitive radio were compared. The main challenge in the design of a broadband RF-frontend is to obtain high linearity, low noise figure and sufficient gain with low power consumption. To achieve these goals noise canceling and linearity improving circuit techniques were researched in this work. In addition, down-conversion mixer topology was carefully selected. Broadband RF-front end was implemented as a part of a cognitive radio spectrum sensor. It covers LTE-bandwidth 0,7 - 2,6 GHz and achieves 2-dBm linearity thus meeting the linearity requirement set by the interference signals for cognitive radio spectrum sensor. Receiver noise figure is 10 dB and it has 32-dB average gain. Silicon die area of the receiver is 0,8 mm2

FFT-perustainen spektrianalyysi USRP-ohjelmistoradioalustalla

Tiivistelmä. Tässä työssä tutustutaan tehotiheysspektrin estimoinnissa käytettyihin menetelmiin ja käytetään USRP-2900 ohjelmistoradiota spektrianalysointiin. Mittauskaistaksi valittiin WLAN-kaista, mutta työssä käytetyllä menetelmällä voi suorittaa mittauksia myös muilla kaistoilla. Työssä käytetyllä menetelmällä mittaus voidaan tehdä kaistalta, jonka kaistanleveys ylittää laitteen suurimman hetkellisen kaistanleveyden. USRP-2900 laitteen ohjaamiseen ja spektrin analysointia varten laadittiin Matlab-ympäristössä koodi. Koodissa luotiin tehotiheysspektri signaalista FFT-perustaisen Welch-menetelmän avulla. Työssä myös pohdittiin USRP-2900 ohjelmistoradion sopivuutta spektrianalysointiin.FFT based spectrum analysis using USRP software defined radio platform. Abstract. In this work I research information about methods used in power density spectrum estimation and use USRP-2900 software radio to do spectrum analysis. WLAN band was chosen as a measurement band, but other bands can also be measured using this method. Measuring method used in this work can be used to measure a bandwith which exceeds the maximum transient bandwith of the measuring equipment. For controlling USRP-2900 and spectrum analysing I wrote a script in Matlab. In the code a power density spectrum was created from the signal using FFT based Welch’s method. In this work the suitability of USRP2900 in spectrum analysis was also evaluated

Askelmoottoritoteutus hiukkaskiihdyttimen suihkukollimaattoreihin

Tämän insinöörityön tarkoitus oli automatisoida Helsingin yliopiston 5MV:n hiukkaskiihdyttimen suihkukollimaattorien toiminta. Kollimaattorien toiminta muutettiin käsitoimisesta automaattiseksi askelmoottoritoteutuksen avulla. Työ suoritettiin useassa eri jaksossa Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella sijaitsevassa hiukkaskiihdytinlaboratoriossa vuosina 2013 ja 2014. Insinöörityössä rakennettiin prototyyppi nykyisen kollimaattoriratkaisun korvaavasta laitteesta. Sille tehtiin PLC-sovellusohjelma RSLogix5000:lla ja suunniteltiin käyttöliittymä Labviewilla. Uutta kollimaattoriratkaisua testattiin ensin useaan kertaan testiympäristössä, jonka jälkeen siitä tehtiin kaksi kopiota. Kaikki kolme rakennettua laitetta liitettiin lopulta hiukkaskiihdyttimeen. Opinnäytetyössä käydään läpi askelmoottorien toimintaperiaatetta, minkälainen laitteisto lopulta rakennettiin, kuinka laitteet on kytketty ohjelmoitavalle logiikalle, jolla ohjaus on toteutettu. Kuinka ohjelmoitava logiikka kommunikoi OPC-rajapinnan kautta SCADA:an ja kuinka SCADAssa on tehty valvomonäytöt. Tämän työn tuloksena saatiin toimiva automatisoitu suihkukollimaattoriohjaus kolmelle hiukkaskiihdyttimen suihkukollimaattorille. Laitteitteen tarkkuus (+/-0,02mm per askel) ja vääntökyky riittävät kiihdyttimen tyhjiössä liikkuvien metallilevyjen ohjaukseen.The purpose of this thesis was to automatize the beam collimators of the 5MV particle accelerator in the University of Helsinki. The functionality of the collimators was changed from manual to automatic by using a stepper motor device. The project was carried out in several periods during the years 2013 and 2014 in the Particle Accelerator Laboratory of the University of Helsinki in the campus of Kumpula. In this Bachelor’s thesis a prototype of the new replacing collimator device was built. The PLC code was written using RSLogix5000 and the user interface was made with Labview. The new collimator device was tested several times in a test environment before making two copies of it. After that they were all assembled to the particle accelerator. In this Bachelor’s thesis the following sections are covered. The function principles of the stepper motor are explained as well as what kind of a machine was finally built. How the device is connected to the programmable logic controller and how the control was accomplished. How the programmable logic controller communicates to the SCADA through the OPC and how the HMI is made in the SCADA. The result of this project was a fully functional automatized beam collimator control for the particle accelerator. The precision of the device is +/- 0.02 mm per step. The torque of the device is strong enough to move the metal plates in the vacuum of the particle accelerator

Katsaus putkivahvistinta käsittelevään kirjallisuuteen

Tiivistelmä. Työssä perehdytään putkivahvistimia käsittelevään kirjallisuuteen ja muihin lähdemateriaaleihin. Työn tavoitteena on selvittää, mitkä lähteet soveltuvat parhaiten putkivahvistimien perusteiden oppimateriaaliksi. Lisäksi työssä esitellään perusteet putkivahvistimista sekä tutustutetaan lukija pikaisesti yhteen putkivahvistin tyyppiin nimeltään SE/84 Brachycera 2.0 eli Kärpänen. Työtä kirjoittaessa havaittiin, että yhtä hyvää materiaalia aiheen opiskeluun ei liene olemassakaan. Eri aineistot keskittyvät eri näkökulmiin ja erityyppisiin vahvistimiin, joten opiskelumateriaalin valinta määräytyy pitkälti tarpeen perusteella ja siksi on mahdotonta löytää yhtä oikeaa ja hyvää materiaalia.Review of the literature about valve amplifiers. Abstract. The purpose of this document is to explore literature and other kinds of materials that covers information about the valve amplifiers. The goal is to find out convenient materials to study about valve amplifiers. From this document the reader gets also basic knowledge about valve amplifiers and gets a quick introduction to a valve amplifier example called SE/84 Brachycera 2.0. When writing this paper, it was noticed that there is no such material that would be perfect to study everything about valve amplifiers. Different materials concentrate on different point of views and different kinds of amplifiers so choosing the material depends mainly on the purpose and needs. That is why it is impossible to find the source which covers the topic conveniently