关键词： 模数转换器   动态锁存比较器   低功耗   逐次逼近   亚阈值  

摘要： 模数转换器(ADC,Analog-to-Digital Converter)作为将模拟信号转换为数字信号的桥梁一直都是生物医学类信号处理系统的主要依靠和关键技术,逐次逼近型(SAR,Successive Approximation Register)ADC作为低功耗,中等速度和精度的代表,其电路结构采用数字电路和模拟电路相结合的方式,有效减少模拟器件的使用,减少整体系统的面积,降低功耗,因此被广泛应用于生物医学传感器系统中。本文提出能用于差分12位逐次逼近型模数转换器的亚阈值动态锁存比较器,相比传统结构克服了比较器工作在低电压时,因延迟时间的增加而导致整个SAR ADC速度的降低。通过研究比较器中前置预放大结构的工作特性,提出电容控制型前置预放大电路,提升比较器的精度至4μV,避免由于比较器精度的限制而导致SAR ADC整体分辨率的下降。亚阈值动态锁存比较器采用低电源电压供电方式,实现比较器的功耗仅为0.68μW,12-bit SAR ADC整体功耗为8.68μW,相比于传统的SAR ADC有效减少电路整体功耗。在比较器传统失配校准方法的基础上,设计通过分割比较器复位时间的方法,实现在不降低比较器工作速度的情况下,校准比较器的失配。使比较器的失配电压均值从-22.58μV降低至-3.2μV。基于V-based开关逻辑,分段电容阵列和亚阈值动态锁存比较器技术,实现一个12位低供电电压的逐次逼近型模数转换器。在TSMC 65nm CMOS工艺下,采用0.9V电源电压供电时,12-bit SAR ADC实现1.8MS/s采样率,输入信号频率为870kHz,电路测试的SNDR为73.52dB,SFDR为91.6dB,有效位数为11.92-bit,FOM为1.25fJ/cov-step,功耗为8.68μW。

关键词： 湿度传感器   低功耗   接口电路  

摘要： 接口电路是连接传感器与运算电路的过渡电路。为了获得和转化测量的湿度值,使之成为有用的电信号,就必须对传感器的接口电路进行研究。全数字式接口电路原理简单结构不复杂、静态电流较小功耗较低、集成度较高节省版图面积,在各类半导体产品中有着广泛的运用。本文使用Cadence Virtuoso 617软件,设计了一种基于tsmc 0.18μm标准CMOS工艺的电容式接口电路,根据国内外发展现状提出本文的设计指标。传感器采用叉指电极结构,通过理论分析湿度变化时电容的变化范围,为电路仿真提供理论基础。采用CDC检测原理设计了接口电路,该电路采用数字结构,包括环形振荡器、整形电路和计数器三个模块,其中振荡器为限幅型振荡器,整形电路以二阶差分运算放大器为主体,计数器由可以被时钟控制的D触发器构成。仿真表明1.2V电源电压下功耗仅为0.6μW,本设计的振荡器比传统反相器结构振荡器功耗降低约60%,有效位数为7位,响应时间为2ms,芯片面积为0.126×0.098mm,获得了良好的线性度和稳定性能,适合于电容式湿度传感器中。

关键词： 国产微处理器   龙芯1C0300   龙芯处理控制板   智龙开发板  

摘要： 在此微电子技术领域的的多事之秋,在功能和性能都能满足要求的前提下,使用具有国产知识产权的微处理器芯片,是一种具有广泛意义的事情.基于龙芯微处理的智龙控制板在大学生电子设计竞赛中应用,对广大学生现在和将来使用国产芯片有着深远的影响.本文介绍了使用龙芯1C0300微处理开发板的硬件资源和应用软件的开发方法.为学习使用该国产微处理器进行开发提供了一条之路.

关键词： 逐次逼近型模数转化器   高速   单通道   比较器交替技术  

摘要： 随着通信技术的发展尤其是5G技术的提出,需要设计一个采样率上千兆赫兹(GHz),有效位在6-8位低功耗的模数转化器(ADC)对信号进行处理。在设计要求下,Pipelined ADC因为其优越的吞吐量更受欢迎,但是其中的高增益高线性度的运算放大器需要更高的功耗,并且随着工艺的进步尤其是电源电压的降低,其设计变得更加困难。另外一方面,SAR ADC因其高度数字化特性,转化速度和功耗都随着工艺的进步得到了很大的改善;但是传统的SAR ADC的每一次量化都需要n次循环(n为其分辨率),且每一次转化都受到比较器的转化时间和CDAC(电容定标型数模转化器)建立时间的限制;因此SAR ADC如果需要进一步提高转化速度,必须要对结构进行改进。本论文使用比较器交替技术,并对每一个模块进行改进,实现了一个采样频率为500M,分辨率为8bit的SAR ADC设计。本文首先设计了一款10bit、75M/s的SAR ADC。该设计采用Vcm-biased CDAC拓扑,使用异步逻辑结构和采用有预置放大器的动态锁存器构成的比较器,基于GF55nm CMOS工艺实现。版图后仿真的结果显示,该设计在电源电压1.2V时,采样频率可以达到75M/s,ADC的核心功耗只有583.5uW;输入信号接近于采样频率一半时,SNDR可以达到56.02dB;SFDR超过62dB;FOMw=15.04fJ/bit。为方便加工后的ADC未来测试,论文同时完成了PCB的相关设计。基于相同的半导体工艺,论文还设计了一款采样频率为500MHz的8bit单通道的高速SAR ADC。该设计综合考虑了比较器转化时间和CDAC建立时间等因素,通过最小化CDAC单位电容值和简化电容切换开关的结构来降低其建立时间。仿真结果表明,通过这种方法,其建立时间比比较器转化时间低很多。论文同时采用比较器交替结构来增加其吞吐量并优化其自举开关结构,来提高整个SAR ADC的速度。后仿真结果显示,在1.2V电源电压下,整个SAR ADC的核心面积约为170um×80um;输入频率接近奈奎斯特频率时,有效位数为6.26bit;无杂散动态范围SFDR为55.91dB。FOMw=40.19fJ/bit。

关键词： 龙芯2K1000B   系统级低功耗   动态调频   空闲机制   挂起策略  

摘要： 龙芯2K1000B是拥有自主知识产权的64位双核高性能嵌入式处理器,成功应用于多款智能终端产品和工业手持设备中。移动智能终端产品体积重量有限,电池容量有限,系统级功耗优化一直是终端产品设计的重要研究内容。为了降低2K1000B移动智能终端的系统功耗,论文选取该设备的主要工作场景,即视频硬件解码和待机场景,设计和实现了系统级功耗管理方法。首先,为了评估和分析系统级低功耗策略的运行效果,论文设计并实现了基于处理器硬件性能事件的功耗评估模型,旨在不增加外接设备的情况下,较为准确地评估龙芯处理器的运行功耗,为系统级低功耗研究提供基本的数据参考。针对视频解码场景下的系统功耗优化,论文重点分析并优化了动态频率调整策略和CPU空闲机制。针对传统按需策略在2K1000B平台硬件视频解码场景中存在的频率不匹配问题,通过服务质量响应机制,根据不同格式和分辨率视频解码的性能需求,动态设置调频间隔和选频区间,降低系统解码能耗。通过在空闲进程中执行WAIT指令优化了CPU空闲机制,降低了处理器核的空闲功耗。针对系统待机时功耗优化,论文采用了动态核数调整策略和挂起到内存策略。根据系统负载情况,动态调整系统内处理器核心运行数量。在无任务运行时,利用挂起到内存策略,保存处理器运行状态并挂起大部分硬件外设,实现系统功耗的降低。论文基于龙芯2K1000B移动智能终端制定了相关的测试方案。经过功耗实测分析,论文设计的基于硬件性能事件的功耗模型在Unix Bench负载下,以处理器实测功耗为基准,平均相对误差为2.14%。论文设计的面向硬件视频解码的动态调频策略在多种分辨率H.264和MPEG2格式视频硬件解码负载场景下,相比默认按需策略能降低最高5.79%和平均3.05%的处理器能耗。综合来看,论文设计和适配的系统级低功耗策略,在硬件视频解码任务运行时,可以降低平均7.62%的处理器功耗和8.22%的板级功耗;在系统待机时,可以降低24.2%以上的处理器功耗和10.9%的板级功耗,挂起到内存策略的实现可以降低25.8%的处理器功耗和31.4%的板级功耗。

关键词： 可穿戴   低功耗   跌倒检测   阈值算法   Adaboost算法  

摘要： 老龄化问题加重,跌倒已经成为老人意外死亡的首因,死亡原因除了跌倒本身外,更大的原因是跌倒后不能及时得到救助。近年来,针对老人跌倒检测的产品不断的推出,但均存在体积大、功耗高、检测准确率低等问题。因此,研制一款可穿戴的低功耗、高精度以及交互性强的跌倒检测设备,对老人的安全与健康有重要的社会意义和实用价值。本文研制了一款可佩带于腰部的跌倒检测系统,该系统由跌倒检测设备和手机监护软件组成。跌倒检测设备通过九轴加速度传感器采集腰部的运动数据,并通过算法判断是否发生跌倒,若检测到跌倒可自动发送报警信息以及老人跌倒的位置信息,监护人手机终端收到报警信息后可以拨打跌倒设备电话,确定老人的安全状况并能定位老人跌倒位置。首先通过低功耗硬件设计的研究以及合理的PCB布局,设计了一款体积小、功耗低的跌倒检测硬件系统。其次,通过对MPU9250中断唤醒与软件优化的研究,提出了休眠唤醒机制与功放电路控制相组合的系统低功耗运行策略。然后,为提高GPS与GSM天线信号质量,使用天线仿真软件并配合网络分析仪,确定天线网络参数,实现高精度定位与高质量传输链路。最后,通过对日常活动与跌倒时的特征信息进行分析与研究,提出了传统的阈值法和基于单层决策树的Adaboost两种跌倒检测算法。考虑硬件系统的局限性与算法复杂度,最终将传统阈值法移植到嵌入式系统,以实现跌倒的实时监测。经测量,硬件尺寸为5.8cm*3.4cm,重量为48g,平均功耗7.3mAh,续航能力可达4天,完全达到可穿戴的要求。针对数据库中的真实数据,本文提出的阈值算法与机器学习算法的跌倒检测准确率为100%,针对12名志愿者的模拟跌倒数据,准确率分别为97.73%和99.08%。

关键词： 多声道   超声波流量计   低功耗   时差法  

摘要： 天然气是我国的主体能源之一,具有清洁、高发热量、价格低廉的优点,是建设清洁低碳、安全高效体系的重要组成部分。在天然气产供储销的各个环节中,科学的高效的计量手段都是重中之重。随着流量计的发展,在众多流量计中,超声波流量计在近年来得到了迅猛发展。但随着超声流量计的广泛应用,其功耗大、数据传输困难等问题也暴露出来,这些问题严重制约着超声波流量计的未来发展。目前,超声波流量计市场常年被外国产品占据。国产流量计的测量精度相对偏低,功耗偏高,在高精度测量领域有所不足。本文设计了一款低功耗、高精度的超声波气体流量计,用于低压燃气测量领域。流量计拥有两个型号,分别针对于DN50与DN80管径。本论文采用时差法测量原理,采用双通道测量的方式。使用C8051F960单片机作为控制模块核心,TDC-GP22作为时间测量芯片,设计了超声波流量计。在流量计设计中,本文提出了低功耗设计方案,并根据该方案完成了芯片的选型与硬件电路的设计。根据各信号的大小与性质不同,本文采用三个PCB板,分别是主控板、收发板与接口板。此外,为便于维护,本文单独设计了超声波获取与发射电路和信号处理电路,将其放置在独立的PCB板上,通过可插拔的接口连接至收发板。论文采用了分时程序结构,将整个程序在分割为了多个模块,在每一个时间间隔内,仅运行一个功能,降低了程序间的耦合,使各部分功耗可以直观的显示出来。并且预留了多个时间间隔,以便于后续的系统升级。使用实验平台对流量计进行验证与测试,并对功耗进行了测量。通过误差分析,采用数学手段对流量计进行校准。经校准后,流量计的精准度等级达到国家标准1.0级,工作电流1.265mA,符合设计指标。

关键词： 低功耗   低噪声放大器   混频   模数转换器  

摘要： 物联网时代的到来,直接促进了专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的广域低功耗网络（LPWAN）的快速繁荣。在中国,以华为为代表的企业在LPWAN领域率先瞄准低成本、广覆盖的窄带物联网（NB-IoT）技术。本文首先调研了NB-IoT的发展状况,然后重点探讨了应用于NB-IoT的射频前端电路以及接收信号强度指示电路和模数转换器,对NB-IoT系统芯片进行了相关性能的测试。本文设计采用UMC55nm CMOS的工艺来完成设计。本文的主要研究工作和创新如下:1.设计了一种低功耗高增益的CMOS低噪声放大器（LNA）。该电路在阻性反馈共源极的基础上融合电流复用技术,并通过数字逻辑控制实现增益可调。仿真结果表明,其工作频率范围为1.78～2.2GHz,增益范围为-17d B～35d B,最大增益下噪声系数为1.4d B,三阶交调点为-20.76d Bm,带内输入反射系数均低于-12d B,功耗为1.2m A。2.实现了一种工作频率为1.78～2.2GHz低功耗增益可调的下变频混频器电路（Mixer）。此混频器以吉尔伯特单元为基础,采用自偏置电阻电流复用结构输入级设计。其转换增益范围为1.6d B～15d B,最大增益下噪声系数为8.58d B,三阶交调点为-23.73d Bm,本振到射频端口的泄露小于80d B,功耗为0.86m A。3.通过改进工艺库提供的Pads改善接收机的噪声系数。UMC55nm提供的Pads是M1-M7层金属通过过孔连接在一起,本文通过改变金属的连接方式使得接收机的噪声系数下降了3d B。4.设计了一种低功耗宽动态范围的全集成接收信号指示电路（RSSI）。该电路基于连续检波对数放大器,针对工艺角的温度偏差采用不同类型的偏置电压模块。仿真结果表明电路实现了50d B的输入线性检测范围,功耗为1m A。5.实现了一种低功耗逐次逼近型模数转换电路（ADC）。采用基于Vcm的分段电容阵列减小了总的电容值和开关转换过程中的功耗,采用底板采样和栅压自举开关电路减小非线性,并采用异步逻辑的方法优化采样速率。仿真结果表明,有效位达到10.6bit,无杂散动态范围为80d B,功耗为0.165m A。综上所述,本文对NB-IoT系统芯片的接收机进行了研究,论述了电路级、版图、测试等原理和方法,最终的测试结果表明相关性能满足NB-IoT的要求。

关键词： 生物信号   模拟前端   仪表放大器   共模抑制比   低功耗  

摘要： 随着近年来微电子和物联网技术的发展,可穿戴医疗设备越来越多地出现在人们的日常生活中。可穿戴医疗设备可以让人们实时地查看自己的生理指标,了解自己的健康状况,对一些慢性疾病的预防和治疗也有非常积极的作用。而在可穿戴医疗设备中,模拟前端负责生物信号的采集和放大,其性能往往决定了整个系统所能得到的信号质量。生物信号通常具有低频率、低幅度的特点。而在采集生物信号时,由于环境中存在着大幅度的共模干扰,电极失调和电极失配等,都给生物信号的采集带来了困难,也对模拟前端的性能有着非常高的要求。对于生物信号采集的模拟前端而言,高共模抑制比、低噪声低失调、高输入阻抗和低功耗等是其需具备的性能特点。本论文基于对模拟前端的仪表放大器研究,介绍了两种不同结构的高性能仪表放大器,给出其设计考虑和验证结果。首先是一种电容耦合斩波仪表放大器。其采用斩波调制技术来降低放大器闪烁噪声并提高共模抑制比,利用一种纹波抑制技术来消除斩波所引入的输出纹波,通过引入正反馈回路来提高仪表放大器的输入阻抗,并针对伪电阻中的电流泄漏问题给出一种新的伪电阻结构。该设计在CMOS 180nm工艺下完成设计和流片,测试结果显示,其具有6～24dB的可调增益,90dB以上的共模抑制比,在1.8V电源电压下消耗电流480nA。然后是一种交流耦合的电流反馈仪表放大器。其使用电流反馈结构,并采用电容作为分压器件,可以实现高共模抑制比和低功耗的特点。为了抑制电极失调的影响,其采用一种特殊的输入滤波电路,可以在不降低共模抑制比的同时,实现对信号的交流耦合。放大器内部还具有一个直流反馈回路,用于降低放大器自身的失调电压。该设计在CMOS 180nm工艺下完成设计和仿真,其具有40dB的增益,136dB的共模抑制比,5.87μV(0.5Hz～10kHz)的输入参考噪声,5.5μV的输入失调电压和2.75的NEF,且电源电压为1.8V,总消耗电流为1.48μA。

关键词： 同步语言   多线程代码生成   编译器验证   定理证明   Coq  

摘要： 航空航天等安全关键领域中的实时嵌入式系统一般被称为安全关键系统,因为这类系统发生故障或失效将造成严重的灾难性后果。目前,工业界广泛认为基于模型驱动（尤其是形式化模型驱动）的安全关键系统开发方法是一种切实可行的重要手段。其中,基于模型的代码生成及其语义保持有助于保障这类系统开发过程的安全可靠。随着安全关键系统的功能需求日益复杂,单核处理器平台难以满足这类系统对计算性能的要求,因此在性能、体积、重量和功耗（SWa P）特性等方面更具优势的多核平台将广泛应用于安全关键领域。同步语言是一类非常适合安全关键系统建模的形式化语言。随着在安全关键系统中应用多核平台成为一种趋势,具有多时钟特性的多态同步语言（如SIGNAL）受到更多关注。目前同步语言SIGNAL编译器支持串行代码生成和仿真实验,较少关注多线程代码生成。此外SIGNAL编译器较少关注代码生成的语义一致性。因此,本文提出一种同步语言SIGNAL的多线程代码生成及语义保持证明方法,主要工作包括:1.提出一种基于同步语言SIGNAL的多线程代码生成方法。具体包括程序标准化（涉及词法/语法分析）、时钟演算、任务划分和多线程代码生成四个步骤。其中,在任务划分阶段,本文提出三种任务划分策略以适用于不同应用场景,分别为基本任务划分策略、基于拓扑结构的任务划分策略和基于深度优先的任务划分策略。在多线程代码生成阶段,为适应不同安全关键系统软硬件架构,代码生成阶段分为平台无关的虚拟多任务结构生成和平台相关的多线程代码生成,并且支持多种目标语言如Ada,Java,C。2.提出一种同步语言SINGAL多线程代码生成的语义保持证明方法。具体包括形式化定义代码生成中出现的多个中间语言的操作语义、形式化描述代码生成过程中算法和映射规则、证明中间模型保留源SIGNAL模型的语言特性（程序终止性、确定性并发）和基于互模拟等价思想证明经过时钟演算后的SIGNAL程序和翻译后的目标C程序的语义一致性。3.基于实际工业界案例（航天领域）导航、制导与控制系统GNC进行案例分析。包括通过GNC系统的SINGAL模型验证本文所提多线程代码生成方法的有效性,并通过多核平台上的实验分析得到以下结论:在SIGNAL模型中同步通信较少时,基于深度优先的任务划分策略生成的目标程序执行效率更高;而在同步通信较多时,基于拓扑结构的任务划分策略生成的目标程序执行效率更高。本文基于高安全的函数式语言OCaml实现了同步语言SIGNAL多线程代码生成原型工具,采用插件开发技术集成到Eclipse平台上,并在辅助定理证明工具Coq中进行了多线程代码生成过程的语义一致性证明。最后通过实际工业界案例验证了本文所提方法的有效性。