关键词： 运算放大器   轨到轨   双极型工艺   低功耗  

摘要： 运算放大器是模拟集成电路中最基本的组成部分之一,其性能好坏影响着整个电路系统的性能表现。随着便携式电子产品的逐渐普及,低电压、低功耗运算放大器成为模拟电路领域的一个研究热点。由于较低的电源电压和电源电流会降低运放的动态范围和噪声性能,使得低电压、低功耗系统对运算放大器提出了更高的要求。为了得到最大化的动态范围,需要对传统运放结构进行改进,使运放能够处理负电源轨到正电源轨的电压信号。因此对低功耗轨到轨运算放大器的研究具有重要意义。本文介绍了功耗与噪声、稳定性之间的折衷关系,分析了双极型工艺在低功耗设计中具有的优势,并研究了轨到轨恒定跨导输入级和轨到轨输出级的基本原理。结合相关理论知识,本文设计了一款基于双极型工艺的低功耗轨到轨运算放大器。偏置电路采用峰值电流源提供基准电流;输入级使用一个电流开关结构实现恒定跨导,并采用开关管串联电阻的方法扩展过渡区范围,进而提高过渡区的共模抑制比;中间级采用折叠式共射-共基结构提高运放的开环增益;输出级采用AB类共射极结构实现轨到轨输出电压摆幅。本文所设计的运算放大器采用中科渝芯WC40S双极型工艺,并使用Cadence Spectre仿真工具对电路进行仿真验证。仿真结果表明,运放的共模输入电压范围和输出电压摆幅达到轨到轨输入/输出要求。室温下,静态电源电流为346μA,开环增益为115.9d B,单位增益带宽为3.08MHz,相位裕度为65.6°,共模抑制比为131.8d B,正、负电源电压抑制比分别为131.3d B和136.7d B,正、负压摆率分别为1.02V/μs和1.2V/μs。最后,完成了四通道运算放大器的版图设计并进行流片测试,测试数据基本符合仿真结果。运放的失调电压处于100μV00μV之间;在1k Hz时测得的等效输入噪声电压密度处于200n V/Hz之间。以上结果表明本文设计的运算放大器达到了预期的指标要求。

关键词： 物联网   压力监测   温度补偿   NB-IoT  

摘要： 为了解决压力监测系统信息采集终端在有线连接时存在的成本过高、部署和维护困难等问题,如今普遍采用以电池方式供电的无线终端,因此低功耗技术成为了保障电池寿命的关键。另外,由于系统使用的压阻式压力传感器具有的温度漂移和零点漂移特性会给测量结果引入严重误差,在测量终端数量较多情况下,进行温度补偿的同时还需要兼顾传感器个体间存在的差异性,因此温度补偿算法同样成为研究重点。为了进一步改善这些问题,结合当今前沿的物联网技术、机器学习技术,提出了一种具有温度补偿和低功耗的无线压力监测系统,能够更好地满足目前和未来行业需求。无线压力监测系统包含信息采集终端和数据监测平台,其中,信息采集终端由六个模块组成,它们分别为主控模块、NB-Io T模块、传感器模块、显示模块、485模块和电源模块。电源模块使用电池供电,为了尽可能延长电池的使用寿命,终端采用低功耗设计,并对NB-Io T模块和主控模块中微控制器的功耗情况进行了详细分析,结合其他模块和所需功能制定了最佳方案,最大化降低了终端设备工作时产生的功耗。数据监测平台负责数据处理、展示和控制等,数据处理方面针对压阻式压力传感器的特性提出了DE-SVM温度补偿算法模型,其中支持向量机(SVM)为机器学习领域经典算法,在小样本、非线性问题上具有突出的优势,能较好地解决传感器之间随机性差异,而差分进化(DE)算法则能够解决SVM参数选取问题,二者结合可以快速找到最优参数以保证算法模型的准确度。在最后,针对无线压力监测系统的温度补偿和低功耗特点,分别设计实验进行测试和验证,根据实验结果,使用DE-SVM温度补偿算法模型对单个传感器压力值进行校正,最大误差和均方误差分别下降了93.87%和99.89%;在七块硅基压阻式压力传感器构成的多传感器情况下,最大误差和均方误差分别下降了93.17%和99.27%,平均相对误差由14.06%下降至1.20%;此外,选取训练数据不包含的温度点使用所建立的模型进行测试,模型仍能够较好地进行温度补偿。信息采集终端的功耗测量实验显示,在休眠模式下终端平均电流值仅为4.16μA,在每10分钟为一个周期进行一次采集和上传的情况下,平均电流仅为0.5813m A,用规格为14500m Ah的电池供电,则电池寿命约为2.84年;周期增加到半小时,则寿命理论值能达到8年以上,满足低功耗的设计要求。

关键词： 激光投影机   半导体制冷   热设计   自适应温度控制   鲁棒性  

摘要： 激光投影技术作为新型显示技术,在日益发展的过程中也引出了许多关键性技术问题。相较于LED光源,半导体激光光源对工作温度的稳定性要求更高,因为温度波动会导致激光投影画面的色彩发生偏移。热电制冷器(TEC)作为新型制冷器件,以其轻便、易控等优势在激光温控领域被广泛应用和研究,但在提高制冷效率,降低制冷能耗和提高温度控制精度方面还有待提高。为了提高激光投影机温控系统抵抗外界环境干扰的能力,并降低冷却系统的工作能耗,本文以激光投影机冷却系统为对象展开研究工作。温控系统应用场合复杂,环境温度干扰较大的特,点,,血在常规模糊P,ID控制;基础上,加入了差在?0.1 C内的温度控制,控制系统的鲁棒性明显提升,完成了对激光投影显示设备的高精度、强鲁棒性的稳定温控。论文从热电冷却系统设计整体出发,完成了对系统的热设计和算法设计,且控制效果良好,对激光投影机或其他对温度稳定性要求较高的电子设备的温控系统设计具有一定的参考价值。

关键词： 漏水检测   LoRa无线网络   自适应功率调节算法   CSMA/CA算法   低功耗  

摘要： 家庭供水管道漏水既会带来经济损失,也会造成安全隐患。目前已有多种漏水检测方案,但由于其成本、实时性或检测精度等方面的局限性,均无法在智能家居中普及和推广,而室内无线网络通信技术的发展为研究智能家庭漏水检测系统提供了新思路。本文提出一套基于LoRa无线组网技术的智能家庭漏水检测系统,由电池供电的LoRa漏水检测节点、可控制水阀开关的LoRa-Wi Fi集中器网关、可实时监控系统状态的APP以及电磁阀遥控器组成。节点用于检测漏水状态并通过LoRa模块向集中器网关发送报警信号,集中器网关接收此报警信号后自动关闭总水阀,并将此报警信号通过Wi Fi发送至APP提醒用户及时处理,电磁阀遥控器作为辅助,用于控制电磁阀的开关。本系统具有低功耗、低成本、实时性强以及通信可靠性高等优势,并且易于集成到诸如家用地暖等智能家居系统中。为保证由电池供电的漏水检测节点能长时间工作,本文提出了一种基于自适应功率调节算法的低功耗设计方法。采用均值滤波机制,节点在采集多次信号强度(RSSI)之后,将跳变较大的RSSI值去除后取均值,从而提高对数据链路评估的准确度,然后再根据该RSSI值自适应地调整其发射功率。测试表明,改进后的算法能有效提高节点功率调节的效率并降低网络通信功耗。为降低多个漏水检测节点同时访问信道时发生数据碰撞的概率、提高LoRa无线网络通信的可靠性,本文提出了一种基于非时隙CSMA/CA算法的无线网络防碰撞设计方法。以退避次数NB值作为评估当前网络状况的依据,对退避时隙进行了自适应性设计。自适应动态变化的退避时隙可以有效降低各节点选择相同退避时间窗口的概率,减少数据碰撞;通过对退避时隙的优先级加权设计,使得优先级高的节点其退避时隙更短、数据传输失败的概率更低。并基于此对LoRa无线网络架构以及通信协议进行了设计。测试结果表明,采用本算法设计的无线网络具有可靠的通信性能,能对管道漏水做出及时准确的反应。

关键词： 相变存储器   界面热工程   MoS2   低功耗  

摘要： 相变存储器作为一种新型的非易失性存储器,具有存储密度大、操作速度快、数据保持时间长、抗辐射性能好等诸多显著的优点,被认为是最有可能取代Flash的下一代主流存储器。相变存储器在走向实际应用过程中,存在的最大问题,即编程电流过大,导致单元的功耗很大。所以,降低相变单元的编程电流就显得格外重要。目前,降低单元编程电流主要从两个方面考虑:一是从相变材料的角度考虑;二是从单元的界面热工程角度考虑。本文从界面热工程的角度出发,将单层Mo S放置在下电极和功能层之间,限制功能层热量向下电极的流动,提高单元中产生的热量的利用效率,来改善单元的电学性能。本文首先制备出了含单层Mo S的相变存储单元,Mo S放置在下电极(Pt)与功能层(GeSbTe)之间,单元的制备基于传统的T型结构相变存储单元制备工艺,主要运用光刻、溅射、剥离等技术手段,Mo S的刻蚀使用国产RIE,通过这些手段,我们制备了特征尺寸为5μm的含单层Mo S相变存储单元。与传统的不含单层Mo S相变存储单元作对比,阈值电压从3.26V降低到1.37V,减小58%;RESET电压从2.0V降低到1.3V,减小35%。单元的功耗明显降低,证明了Mo S在界面热工程中的作用。加入一层Mo S后,器件操作电压明显降低,我们推测两个可能的原因:一是Mo S作为界面热阻,限制了热量向下电极的流动;二是Mo S引入的电阻产生热量,对相变材料有加热的作用。为了排除第二种可能的原因,我们移动了Mo S在单元中的位置,将Mo S放在GeSbTe(GST)之间,远离下电极,这样Mo S将不再限制热量向下电极的流动,仅仅作为串联电阻产生热量,我们研究这种可能产生的影响,进行了ANSYS热学仿真。

关键词： 车载智能视觉系统   龙芯2K1000   目标检测   改进YOLOv3算法   数据集   国产化  

摘要： 面对信息化军事作战的需要,具备态势感知能力的车载智能视觉系统是地面作战车辆的重要构成部分之一。因此研制一款目标检测可靠、功能接口丰富、环境适应性强等特点的车载智能视觉系统是目前陆军地面装备领域研究的重要内容之一。本文主要基于龙芯2K1000处理器研制一款面向地面作战车辆的国产车载智能视觉系统。首先,本文对国内外面向地面作战车辆的车载智能视觉系统的发展现状和基于机器学习的目标检测技术的研究现状分别进行了研究。从实际需求出发,采用模块化、标准化的设计理念提出车载智能视觉系统总体设计方案。其次,基于龙芯2K1000处理器设计了车载智能视觉系统硬件平台。通过对国内外电源转换芯片的比对分析,设计了基于XC79618HCC芯片的国产化电源模块;采用国产HWD2210芯片设计了可编程逻辑单元,实现功能接口可扩展,便于后期升级改造;设计了系统健康监测模块,实现对系统温度、电流、电压的实时监测,确保系统始终处在安全范围内工作。第三,基于改进YOLOv3深度神经网络,设计了车辆目标检测算法。通过将深度可分离卷积代替传统卷积网络来构造反残差块模型,减少运网络的计算量,提升目标检测实时性;采用广义交并比（Generalized Intersection over Union,GIOU）对损失函数中的边界误差进行优化,提升目标检测准确性;基于KITTI和USDC（Udacity Self-driving-car）数据集,完成增强混合数据集的制作;使用网络负反馈训练策略,优化训练模型并进行算法验证。最后,通过搭建调试环境,对系统的硬件功能、性能以及环境适应性进行测试;为了验证系统的目标检测功能,通过简化试验平台,对改进YOLOv3算法和传统YOLOv3算法分别进行实车道路试验。试验结果表明本文设计的车载智能视觉系统硬件性能可靠、环境适应性强、目标检测实时性和精准度指标均满足设计要求。

关键词： 模数转换器   时间域ADC   时域交织技术   两步式ADC   电压时间转换器   时间数字转换器  

摘要： 随着CMOS特征尺寸缩小和电源电压的幅值降低,开关速度的提升以牺牲模拟电压信号动态范围为代价,电压域可实现的信噪比越来越低。事实上,当前CMOS技术进入深亚微米级系统,电压分辨率已可以被时间边沿分辨率超越,目前ADC的架构研究中,将电压域模拟电压信号转化到时域数字脉宽信号进行处理已是新的研究趋势。时域ADC充分发挥出纳米级CMOS工艺下开关速度的优势,并且在相同速度与精度下,时域ADC的面积与功耗是传统电压域ADC不可匹及的。但是,目前时域ADC的性能完全依赖高速的传输门以实现ADC的高速与高精度,未能突破工艺与结构上的瓶颈,希望得到GS/s下10 bit以上的ADC依然没有好的解决方法,不适用于当前雷达系统或高速通信系统等高科技领域。本论文针对当前时间域ADC中存在的问题,创新性地提出了一种电压域-时间域混合结构的两步式ADC的设计方案,并且利用时间域ADC的时间域可变增益优点,在不降低后级精度的前提下,取消了传统电压域两步式ADC中使用的余差放大器单元,有效地解决了使用余差放大器引入的电容失配与共模偏移效应,充分发挥出时间域小面积低功耗,并且高速高精度的优势。论文使用时域交织技术进一步提高了整体ADC的速度,在UMC 28 nm工艺下整体ADC后仿真达到2GS/s 10.2 bit的优异性能。另外,本文详细分析与说明了一些时域交织中存在的非理想因素,提出一种复用环形振荡器结构以降低通道间的失配。另外,论文改善了传统时间域ADC中存在的诸多非理想因素,设计了一种电容下极板采样的高线性度电压时间转换器电路与一种高分辨率时钟下低误码率的时间数字转换器电路。最后,相适配于本论文设计的其他电路,例如低谐波失真的栅压自举开关电路、高速比较器电路、多通道的时钟产生电路与高速数字码的读出电路等关键电路也被详细说明。本论文的设计严格遵循模数混合集成电路设计流程,从系统框架、指标的确定到单元电路模块的设计与前仿真,接着实现整体电路的设计与前仿真,最后进行版图的绘制与后仿真。最终在UMC 28nm标准CMOS工艺下,实现了输入信号频率100MHz,摆幅500m V时,双通道2GS/s采样率下,整体ADC达到61.3 d B的SNDR与70.1d B的SFDR,精度达到10.2 bit,芯片版图有效面积为0.13 mm,整体功耗为19 m W的性能表现。

摘要： 美国微芯科技公司(Microchip Technology Inc.)宣布推出八通道12位数模转换器MCP47/48FxBx8系列产品。作为同类产品中首款包含非易失性存储器和集成参考电压源(Vref)的产品,新解决方案不依赖于系统处理器就可以通过预配置,实现安全高效上电。与未集成非易失性存储器的数模转换器不同,MCP47/48FxBx8数模转换器即使在断电状态下也能存储用户定制的配置数据。上电时,所有八个通道均被配置为预定义状态,而不会给系统处理器带来开销。本系列产品将参考电压源集成到数模转换器中,可以减小系统的整体尺寸和复杂性,同时提供必要的控制,以满足安全驱动所有电源输出的关键时序需求。此外,本系列产品还提供SPI和I2 C串行接口,为设计人员提供最大的器件通信灵活性。

关键词： 短周期地震仪   高精度   低功耗   低时漂  

摘要： 短周期数字地震仪是常用于浅层地震勘探及地震监控系统中的核心测量设备之一,并被中国地震局大规模使用于人工地震宽角折反射探测中。为保证地震仪在野外人工地震勘探工程中获取高质量的地震数据,要求仪器具有低功耗、低时漂、微型化与一体化、高精度和大动态范围高效率的特点。目前国内自主研发的短周期地震仪逐渐成为主流设备被广泛应用,但在实际野外勘探工程中仍存在诸多功能、性能不足之处。由于起步较晚,技术水平发展受限,国内具有低功耗、大动态范围、低时间漂移、无线便捷控制与通讯、轻便一体化设计和多功能操作简便等特点的地震勘探仪器较少。随着目前地震监控及浅层地震勘探对仪器性能、功能、现场操作需求的不断提高,研究一款低功耗、高精度、多功能操作简便的短周期数字地震仪势在必行。本文设计的短周期地震仪主要由地震计、采集电路、机壳结构和大容量电池组成。地震计为短周期地震传感器,采集电路则完成对地震计输出地震信号的采集存储工作,大容量电池为仪器所有内部电子部件供电。本文围绕地震仪设计方法与技术需求,针对解决目前低功耗、高精度、低时间漂移等问题,开展了短周期地震仪采集电路的研制工作。其主要功能包括地震信号及摆心偏移状态的采集与存储、地震计标定输出、GPS授时与守时、Android终端交互等。重点开展了大动态范围、低功耗、低时漂观测技术的研究,根据实际需求进行了芯片选型调研、各模块方案设定,搭建了由STM32、FPGA、ADC、GPS模块、DAC、WIFI模块、电源电路、磁控开关、SD卡、LED等组成的硬件电路,开发了 MCU控制代码和FPGA功能程序。本文最后开展了短周期地震仪室内功能测试及性能测试。功能方面重点开展了连续采集、存储、授时、客户端交互、供电、传感器标定等测试,性能方面主要针对功耗、动态范围、量程、噪声和时漂等测试。经测试证明,软硬件的主要功能全部得到验证,而在性能方面,经室内实际测试显示采集时功耗小于700mW、动态范围达130dB@fs=50Hz、采样率在50至2000Hz多档位可调、采集量程为40VPP、时钟稳定度为0.15ppm。通过以上测试证明该地震仪基本满足预期设计需求,为后续升级改造奠定了基础。

关键词： 潜标   数据采集系统   无损数据压缩   低功耗   现场可编程逻辑门阵列  

摘要： 为了维护我国海洋主权,国家一直致力于发展海洋环境观测技术,而远海、深海的这类海洋环境的观测手段仍在起步阶段。潜标,是一种能够适应远海和深海等恶劣海洋环境的重要观测设备。随着现代化潜标系统的不断发展,新型潜标停泊深度要求达到2km,运行时间3年以上,其数据存储容量需求已经超过480GB/年,潜标数据转存速率以及回收速率分别要求不低于300Mbps和1440Mbps,在如此高性能的前提下还提出了 1.8W的低功耗指标,同时在深海、远海这样恶劣的条件下还要求各级数据通信链路误码率好于10-10。潜标系统面临大容量、低功耗、高速数据传输、低误码率等各式挑战。本文主要提出了潜标系统的五种关键技术:无损数据压缩技术,既提高了近100%的数据存储容量和数据传输速率,也综合降低了近50%的系统功耗;SD卡双重模式的驱动和控制技术,其中,低速SPI模式有效地降低了潜标长期运行期间的系统功耗,高速UHS-Ⅰ模式大幅提高数据转存时的传输速率;SSD存储和控制技术,可对大容量的SSD进行控制,同时理论高达6Gbps的数据传输速率以应对高速需求的回收能力;双千兆网络传输技术,可通过光纤扩展至2km进行远距离的数据传输工作,其理论数据传输速率可达2Gbps;数据重传技术,应用于各级板间通信,使得在恶劣的板间通信环境下依然能保持不超过10-11的误码率,提高了系统的可靠性。本文对研制的潜标DAQ系统原型板和关键技术进行了测试。测试结果显示,潜标系统平均运行功耗约1.11W,可支持容量64GB的SD卡和1TB的大容量SSD的读写控制,SD卡转存速度约376Mbps,SSD读取速度可达3362Mbps,同时双千兆网络综合数据传输速率不低于1700Mbps,而实验室测试环境下误码率不超过4.0×10-12,千岛湖测试环境下误码率不超过1.03×10-12。测试结果表明潜标系统的研制及其关键技术的设计,解决了新型潜标系统的面临的困难,达成了各项功能和性能指标要求,同时得到了用户单位中船重工715所的认可。本文主要创新点如下:(1)完成自主知识产权的潜标DAQ系统设计和研制,这是国内目前为止首次实现了低功耗、大容量数据缓存和存储、高速数据回收类型的潜标DAQ系统,填补了国内在该领域的空白。(2)在潜标DAQ系统中同时集成了 400Mbps高速数据传输速度的SD卡控制技术、6Gbps高速数据传输速度的SSD控制技术、双千兆网络通信、实时无损数据压缩技术、数据重传技术这五项关键技术。这是国内目前为止应用在同类型潜标上的性能最好的DAQ系统。(3)基于FPGA的实时无损数据压缩技术的硬件实现,降低了潜标DAQ系统50%的运行功耗,同时还提高了 100%的数据传输速率,有效地解决了潜标系统低功耗设计和高速数据传输之间的矛盾。