2014密苏里科技大学EMC实验室项目实习周记(第2周)

作者:黄晨希等编辑:LYH发布:2014-08-27点击量:

公共篇

经过了一周的调整,我们的时差已经基本上倒过来了。在找到了住房后,生活也开始变得规律起来, 基本上都是早上8点左右起床,然后9点在学校搭乘E-bus去实验室。午饭基本上是自己带饭或者在旁边的麦当劳或赛百味吃。在实验室待到下午6点,再请学长开实验室的shuttle送我们回家。不得不说在美国类似于Rolla的小镇,公共交通几乎是没有的,人们出行大都是开的自己的汽车,没有车简直是寸步难行。幸好学校考虑到了我们没有车的困窘,特意安排了E-bus早上接我们。不然都不知道该如何去实验室了。

图1.学校的ebus

这周最主要的事情是和房东一起把房子的基本设施弄好。我们的房东名叫Martha Dinsdale,是个很热心的女人。在她的帮助下,我们的房子有了水、煤气、电和互联网,炉子和空调也请人修好了,最后房东还送了我们一套很好看的桌椅,整个房子从原来的勉强能够住人,变得十分地舒适方便。在这个过程中我们也发现要想真正地融入美国这边的生活,不仅需要加倍努力地学习英语,还需要了解美国这边的各种生活习惯和细节。

大家在实验室的工作在这一周也逐渐步入了正轨,由于有些东西我们都还没学过或者还不是很熟,因此这周为了完成当天的任务,经常会有人在实验室熬夜,然后晚上再搭乘学长的车回家。我就有一次晚上11点才从实验回家。顺便一提的是,这周日是我的生日,我们也正好借这个机会小小地庆祝了一下。

图2.丰盛的晚餐

图3.会不时喷出火星的蜡烛和生日主角

个人篇

1 何睿杰

这周Rolla的气温非常高。偏偏也就是这特别热的几天,我们家的空调坏了。加之在屋里炒饭,屋顶隔热效果也不好,室内温度达到了华氏90+,也就是34度的样子。在傍晚修空调的人过来的时候,室内温度比室外要高好几度。正在做饭的同学也是满头大汗。我们几个吃完饭后把桌子搬到了屋前的草地上,虽然有蚊子,但是还算凉快。修空调的几个小伙子倒腾了半天,终于让空调work了,我们等室内温度稍微降低了一点才转移到室内。初来的几周感觉rolla夏天如此清凉,真是消暑的好去处,这周才发现原来这里也是很热的!

过去的一周里,又学到了不少东西,和学长也交流了许多。我自觉算是那种爱学习的人,一点点进步——不管是知识上还是技术上的——都能让我感到愉快,而不在乎这过程中的波折。

在有了学校账号之后,可以访问IEEE的论文库了,这给我的学习带来了巨大的方便。之前只能用google和wiki,讲的要么浅显了了点,要么太难懂,总之不能解决我面临的问题。还是看paper靠谱。说到Paper,实验室的打印机还是相当的多,也可以比较方便地用。看paper我还是倾向于纸质的,可以方便地做记号,阅读的速度也能加快一些。

这周我学习的主要内容是Mixed-ModeS-Parameters,还有VNA原理。真正读paper的时候才发觉自己之前对S参数的掌握并不成熟,停留在定义,可以说仅仅是记住了定义而已,没多少自己的理解。试着把paper里面大约十个公式都推了一遍,感觉就豁然开朗了。

除了学习理论之外,还练习了VNA的使用和校准。

1 VNA校准的时候需要切换 port和fixture, S参数是重要指标

说实话,校准是个十分麻烦的过程(和我个人的经历相比),上周练习的Landing只是Calibration(校准)这个过程中的基本操作,在校准的过程中要使用很多次。除了把探针landing到标定板上之外,当然我还得知道Why,Where,When.这些算是标定原理了,自己在书本上看过,但是实际操作的时候还是会犯迷糊,搞不清楚Where,When。在经历了两次之后,现在知道了。

在probeCalibration的时候需要landing。图为相机拍摄的显微镜中的视野。白色区域为标定板,金色的部位是导体,两组探针(四根针)跨在一个50欧姆的“电阻”两端,间距约80微米。

我感觉这周算是步入正轨了,我喜欢这样的节奏,紧凑。这周和黄总一起work了两次,都是饭后去实验室转钟才到家,感觉还比较充实——在家里毕竟连自己的桌子都没有,也不能方便地搜索paper。既然步入正轨了,那就好好干吧。也是因为学到的东西多了起来,我才对自己要做的项目有了稍多一点的认识,还是比较有难度的。Keep Going!

2 黄晨希

经过了上一周的休整,实习的工作开始逐渐展开了。由于碧瑶学姐还没有来,这周James暂时安排我和张岭先完成Femas和HFSS的仿真练习。

练习的内容是先用运行速度比较快的二维femas软件来设计一个double traces的microstripe。然后给定它的长度,再利用三维软件HFSS来仿真进而得到它的S参数和特征阻抗。

由于在之前没有学过相关的信号完整性课程,也没有使用过类似的软件,在设计初期,我还是感觉比较有挑战性的。首先,我花了一些时间来了解相关的专业背景。知道了S参数表征了功率的传递系数。通过仿真不同的传输线结构,得到不同的传输线S参数,再通过比较不同传输线的S参数,来得到传输线的几何结构以及材料选择等对于S参数的影响,最终提出传输线的基本设计原则。

图1.实验室独立设计的软件Femas界面

上图是我和张岭在用实验室自己开发的Femas软件设计在电介质厚度和两导线间隔变化情况下特征阻抗为50ohm的传输线。在用Femas仿真完后,我们还得用PPT写一个仿真报告,这一点和国内不太一样。并且实验室这边很讲究实事求是,得到什么结果就是什么结果,如果与预期不一致,就尽力去找原因,就算原因没找到,只要能从中有所收获,也没人会批评你。我觉得实验室这边十分尊重事实的这一点,很值得我们学习。

图2.我和张岭完成的仿真报告

别看报告只有简单5页,完成起来还是花了不少功夫的。在完成了Femas仿真后,我们紧接着又开始用HFSS对我们所设计的二维结构进行三维仿真。由于以前没有接触过这类软件,不明白其中的厉害,而把仿真精度设得很高,第一次运行HFSS硬是运行了几个小时还没出来。无奈之下,只好退出运行,重新设定精度。在前几次仿真过程中,还有些地方存在一些小问题,而正是这些小问题,使得我们又得浪费好几个小时在电脑的仿真上。最后一次仿真花了3个多小时,总算是成功了!

图3.办公环境有2台电脑、3个显示屏,很有感觉

图4.实验得到的S参数随频率变化的曲线之一

3 张岭

充满新鲜感的第一周过去了,时差也差不多调整过来了,第二周正式进入工作和学习状态。早上8点左右起床,在家吃完早餐之后,走到学校乘9点的ebus到实验室。因为实验室的发展需要,几年前实验室搬离campus,所以从campus到实验室还有很远的距离。

从这周开始,周一到周五上午10点到11点,实验室的Mikheil老师会跟我们上C++的课程。我的本科专业是电子科学与技术,学习的是C语言,没学过C++,但两种编程语言差不多,毕竟有一定的基础。而Mikheil也不是纯正的美国人,说英语说的比较慢,比较简单,所以他的课基本都能听懂。每次课上完之后,他都会跟我们布置一个编程小作业,以巩固当天学习的内容。下图为Mikheil给我们上课的情景。

由于导师Jim出差,本周四(7月17号)上午10点,Jim就与我和Xinyun进行了一次电话会议,会议内容是布置了一下我接下来学习的任务。由于电话会议听得不是很清楚,而且有很多专业名词,所以我很多都没听懂,是后来Xinyun跟我讲的。我的任务是先用实验室自己开发的软件FEMAS,对2D 2-trace Microstrip进行模拟仿真,调整导体的尺寸w和t,使导体的特征阻抗为50欧姆。改变两导体间距s和绝缘层厚度h,分析s和h对两导体之间的互感和互容的影响。黄晨希是做的PDN项目,但是还没有分配明确的任务,所以就跟我一起先做这个工作。我们在周五就完成了FEMAS的仿真。下图为FEMAS中建立的模型图。

接下来我们要用HFSS软件对Microstrip三维结构进行模拟仿真,并计算其s参数。这个软件我们之前都没怎么接触,学姐跟我们讲了一下用法和流程,但轮到我们自己操作时,就会遇到很多问题,我们就得去查阅帮助手册,实在不能解决的,就去请教学长学姐。终于在周一(7月21号)完成了HFSS的仿真,得到了S参数随频率变化曲线图。仿真时间比较长,需要处理的仿真数据也比较多。下图为我们得到的其中一幅曲线图。

这周所做的工作就是熟悉了FEMAS和HFSS软件的使用。本科阶段我没有学过微波课程,所以一些基础理论知识需要加强。我将实验室一位学姐的《信号完整性》课程的课件借过来开始学习里面的内容,希望能有所帮助。

4 白斯琪

这周的主要工作是熟悉实验室的各种仪器,为接下来的测量工作做准备。实验室的仪器有很多都是用于高频测量的,带宽通常在几个G赫兹。这是因为电磁兼容性问题在高频时尤其突出。而测量高频信号是比较困难的,因为高频时一小段导线都会产生电容和电感。所以测量高频信号对仪器和实验人员的操作都提出了很高的要求。

Figure 1时域反射仪(TDR)

我先用时域反射仪测出微带线的特征阻抗,为48.3ohm。

Figure 2特征阻抗为50ohm的微带线

然后将信号发生器接到微带线的一端,另一端用SMA接头盒同轴电缆直接接到示波器CH1,同时用50ohm passive probe 接着示波器CH2。对比两个信号,发现在低频是两个信号是一样的,高频时不一样。这是由于passive probe 不能用于测量高频信号。

Figure 3低频时两个信号一样

Figure 4高频时两个信号不一样

Active probe是专门用来测量高频信号的探头,使用时要焊接在电路上。还是上面的电路,换成active probe 测量,得到的结果依然不一样。这是因为我并没有把引脚焊接在电路上。

Figure 5 active probe测量结果还是不一样

最后一部分是spectrum analyze的使用。我将示波器接受到的波形做FFT后,和spectrum analyzer得到的频谱进行对比,结果符合的很好。从下图可以看出示波器的噪声在-30dBm左右,而spectrum analyzer的噪声在-80dBm以下。

Figure 6两个频谱基本符合

接下来我会用同轴电缆盒SMA接头制作一个passive probe。

5 周建驰

生活篇

罗拉前几天下了场大雨,瞬间凉爽许多,而且这边也不像武汉早上棉袄下午短裤那样一天内温度浮动很大,雨后虽然天气晴朗,气温却迟迟没有回升,因为没带多少秋天的衣服有点冷,所以周末学长学姐带我们去了罗拉附近的Ozark购物,回来的路上经过另一个小镇,在那里的中餐馆吃到了小龙虾,虽然不是麻辣的,不过在这个中餐馆基本被甜味统治的地方,我们也已经相当满足了。

这周因为基本已经安定下来了,我们就很少出去吃饭而是选择在家做,我们家离沃尔玛比较远,所以一次购物差不多要把冰箱塞满,沃尔玛的东西还比较全,食材很丰富,只是一些调料买不到只能暂时用一些其他酱料代替,但相对于餐馆我觉得已经很有家乡的味道了。因为是轮流做饭,大家的厨艺也都有所长进。周末是黄晨希同学的生日,我们做了一顿大餐来帮他庆祝这个在异国度过的生日。

工作篇

这周主要还是细化系统框图,选择芯片,在和芯片公司联系得到报价单后,我再和小帕讨论决定哪些芯片需要买哪些需要我们自己做。因为每周都要开会给Cisco发报告,做演示的幻灯片也更需要做到精益求精。小帕是实验室比较爱玩的教授,平时也常和我们开玩笑,但做起事情来一点马虎不得,而且很要求效率,他基本上每天都会给我一次反馈,我再根据他的反馈进行改进。以前在学校自己也做过不少presentation,但有一些细节也并没有做到规范,比如箭头的顶点一定要和框图的框相连这种,小帕也都一一指出让我修改。

这一周开会后,小帕给我布置了新的任务,利用Cadence对系统进行PCB 设计。虽然以前接触过低频电路设计仿真,但在高频电路中,需要考虑一系列信号完整性问题,以使得印刷版的综合性能达到最优,所以要学的东西还很多。我主要是一边看书,一边对照Cadence 的教程学习设计的理论知识和软件使用方法。

6 夏梁桢

本周我在项目上的进展还是很大的,上次说到我确定了自己的课题,做一个用MATLAB 控制VNA的函数库。我首先对照VNA的编程手册、用户手册和MATLAB的控制仪器的函数手册,把以前的code读懂,把每句程序都做了标注,读懂之后我就开始尝试把重复的版块放到一个function里面,然后把main函数改成了用我的函数写的函数。但是做了一天的初稿被Dr Victor一下打回,原来他不需要我写main函数,就是写好各种与VNA的交互函数,并且我的函数一看就不能通过运行,bug很多。直到现在我才真正明确了自己的任务,还好还不晚。因为我做的是控制函数,一定要连接硬件才能做debug,但是HP8720ES型号的VNA是专门做扫描的VNA,很多学长学姐都要用到,所以我就只能晚上留下来守在VNA边上看什么时候空了就冲上去用一下。学长学姐人都很好,他们知道我要调程序,就在晚上十点半之前先给我用,然后他们在走之前放仪器扫一个晚上。刚开始做函数的几天还是很辛苦的,特别是我需要把数据传输格式从ASCII码转成二进制,这段函数是所有手册都没有,需要我自己编程的。数据格式一共有5种,原始二进制码的传输速度最快,但是转换最麻烦,ASCII码传输速度最慢,但是控制语句最简单。以前一直都是用的ASCII,我刚开始时一度特别想用原始二进制码传输,但是编了很久得到的数据也不对。找了王彦盛和小白讨论了整整一个下午也没有任何进展。

后来我试试上网搜,发现还真有启发,网友们说form5也是用二进制传输,虽然VNA手册上说这是用浮点数传输。于是我就适时地改变了我的计划,很快我编了程序,数据点的数目是对的了,但是我并不百分百确定数据是正确的。之后在Victor验收的时候我发现他用我的数据画图,如果图像与VNA显示屏上的一致,那么数据肯定就是正确的,很幸运,我做的真的是对的。但是在第一次验收的时候我并没有敢把我用的form5而不是原始二进制码的事情告诉Victor,因为虽然form5已经比ASCII减少了一半的传输时间,但是毕竟用原始二进制码更加快。于是我又留守了一个晚上,自己琢磨到底怎么用原始二进制码传输,虽然也有学长一起讨论,但是实在是资料太有限了,我们最多能将二进制数据一字节一字节地转成十进制数,然后平均分为实部和虚部,但是到底小数点在哪里,我们真的不知道。于是,在第二天验收的时候我只能这样告诉Victor,他看了VNA的用户手册说:“好吧,上面也说这个格式很难转化,而且也说form5是最高效的传输数据方式,那我们就用form5吧。”之后他又让我做了一些不常用但是需要,而且看起来很炫酷的功能,每次拿到这些题目的时候都觉得“这太难了吧,我不可能做出来的。”,但是事实上真的到最后都搞定了,每次都特别开心。当然要特别感谢王彦盛学长,也很感谢小白同学,帮我很多。

这周生活上也有很多好玩的事情,比如周末学长带我们去Ozark购物,整整一天,累成狗;小黄过生日,大家一起吃了好吃的冰淇淋蛋糕;我开始制定我自己的锻炼计划,并开始坚持每天早起跑步。在这边生活很幸福很开心。

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