关键词： 宽频地震记录器   天然地震   低功耗   地震初至拾取   无线设定技术  

摘要： 近些年来,伴随着我国经济的高速发展,人们生活水平有了稳步提升、工业化发展进一步加快,国家对能源的需求呈逐年上升趋势。为满足巨大的能源需求,进行更深层次的矿产资源勘探成为地质工作的首要任务。此外,由于我国位于两大地震带之间,每年由于地质构造不稳定而引发的地质灾害都会给我国带来巨大的损失。为了进行地质灾害监测、预警,同样需要对我国境内地下构造有更加深入的了解。地震勘探方法作为地球物理探测最有效的手段之一,几十年来一直被广泛使用于矿产资源勘探,地质构造勘察等领域。其中,借助天然地震分析地下构造的方法凭借其探测深度大的优点,受到越来越多的重视。天然地震由于其信号频带范围较宽的自身特性,需要使用专用的宽频地震记录器对地震信号进行收集、存储。目前,国内地震观测台站多使用价格高昂的进口设备,国产设备由于功耗较高等问题,没有得到大范围使用。本文设计了一款低功耗宽频地震记录器,从结构上分为接口板、主控板、采集板三张板卡。其中接口板主要提供地震记录器与外围设备间的有线物理接口。主控板主要功能是由主控制器进行电源管理和系统进程控制。采集板主要负责将模拟差分信号转换为数字信号并加以缓存。低功耗设计主要体现在电路设计和程序设计两个方面,电路方面通过合理选用低功耗芯片,减少系统器件数量等方式降低功耗。程序设计方面通过电源管理技术,由主控制器对部分电路进行电源控制,从而降低系统功耗。由于天然地震的偶发性,针对天然地震观测收集到的大多数是地震摆和地震记录器自身噪声这一特点,使用一种基于低频信号占比系数的地震波初至拾取技术对地震数据进行处理,将地震事件从大量观测数据中分离出来并加以保存。该方法可以有效提高系统存储效率。出于安全性方面考虑,地震记录器壳体上没有人机交互接口,本文提出了一种无线参数设定技术,使操作者可以使用手持终端自带浏览器以访问IP地址的方式进入参数设定界面并对仪器参数进行修改、重置等相关操作。本文制作样机并对样机进行了采集测试和功耗测试,测试结果表明:相比于吉林大学第一代宽频地震记录器,本文设计的低功耗样机在采集性能基本不变的前提下,减少了对电能的消耗,仪器功耗仅为2.788W,达到了预期设计目标。

关键词： 14纳米   物理设计   低功耗   功耗优化   综合  

摘要： 近年来,集成电路工艺节点向14 nm和7 nm不断推进,芯片设计的复杂度增加引起整体功耗和单位面积功耗密度急剧上升,导致芯片的可靠性和稳定性降低。如何在新工艺和新技术背景下实现低功耗的设计目标,成为芯片设计密切关注的问题。本文的研究对象是某基带芯片中的信号处理CPU模块,该模块规模约为111万门,最高频率为850 MHz。基于英特尔14 nm工艺,使用Design Compiler完成了基于UPF的低功耗逻辑综合,使用IC Compiler II完成了模块基于UPF的物理设计,使用Cadence Conformal完成了逻辑等价性检查,使用Power Compiler和PrimeTime PX进行功耗分析并在综合阶段和物理设计阶段进一步优化模块的功耗。本文取得的主要研究成果如下:（1）通过UPF描述信号处理CPU模块的供电需求和低功耗设计需求,首先完成了基于UPF的低功耗逻辑综合,综合完成后对设计的时序,功耗和面积进行评估。然后在低功耗综合结果的基础上权衡时序的要求,进一步优化功耗:通过调整ICG的fanout使功耗优化1%;通过合理设置建立时间过约束使功耗优化0.8%。功耗优化结果表明,Ma Corner下模块的综合功耗由原来的34.1905 mW进一步降低到33.6575mW,优化了1.6%,效果较为显著;建立时间违例为-64.9 ps,在可接受范围内;模块面积较优化之前减少了0.7%。最后对RTL和综合网表进行逻辑等价性检查。（2）基于功耗优化后的综合结果,完成了模块基于UPF的低功耗物理设计。在floorplan阶段:定义模块的面积和形状,进行IO规划,划分物理电压域,摆放hard macro,插入物理单元,构建供电网络;然后进行标准单元布局,时钟树综合及优化,布线及优化,最后对综合和物理设计网表进行逻辑等价性检查。（3）在基于UPF的低功耗物理设计过程中,使用了四种方法进一步优化功耗:第一,通过优化floorplan使功耗降低7%;第二,通过优化标准单元布局使功耗降低5%;第三,使用SAIF辅助功耗优化使功耗降低4%;第四,在物理设计中使用Synopsys公司的AWP模型使功耗降低0.7%。功耗优化后,模块的建立时间违例为-79.537 ps,保持时间违例为-207.944 ps,均可通过后续时序迭代达到收敛;模块的面积由顶层分配,在物理设计和功耗优化阶段未改变;功耗优化结果表明,在物理设计阶段同时采用以上方法,Mrv corner下功耗由原来的71.5 mW进一步降低到61.6 mW,优化了14%,效果显著。该模块所属的基带芯片已经于2018年9月顺利流片,目前处于测试阶段,文中运用的综合与物理设计方法对先进工艺高性能芯片的后端设计具有一定的参考价值,在综合和物理设计过程中使用的功耗优化方法也具有一定范围的适用性。

关键词： 毫米波   超导纳米单光子探测器   可变增益放大器   超低温放大器   宽带   高增益   低功耗  

摘要： 在无线通信及探测技术需求推动下,高数据速率毫米波通信、高精度毫米波成像、高安全性量子通信等技术快速发展。但我国核心芯片长期受制于人,严重制约我国通信与探测技术的发展。作为以上技术的核心基础,我国宽带硅基放大器芯片的研究具有重要意义。基于上述背景,本论文开展了面向通信与探测的硅基宽带放大器研究与设计,主要内容和贡献概括如下:1)重点研究60GHz毫米波接收机中高性能宽带可变增益放大器的设计和实现。基于CMOS工艺的低成本和高集成度优势,设计实现一种65nm CMOS高性能可变增益放大器。首先,为解决宽带问题,设计采用改进型的Cherry-Hooper结构作为可变增益单元,利用四级级联降低对单级可变增益单元增益带宽积的要求,有效增加可变增益范围,提高整个接收机的动态范围;其次,为解决群延时、带内平坦度及其引起的稳定性问题,采用串并结合的可变电阻阵列和零点补偿技术,并进行相应的理论分析和仿真验证;再次,为解决不同带宽需求和带宽一致性问题,引入可变电容阵列实现可调带宽;最后,为解决级联系统的直流失调问题,提出高效率的双负反馈直流失调消除电路,并通过理论分析和蒙特卡洛仿真验证该电路的高效性。测试结果表明,该可变增益放大器的可变增益范围达到-4.3～50.8d B,步长为1d B;3-d B带宽可变范围为0.7～1.9GHz,完全覆盖指标所要求的880MHz和1.76GHz;最大增益下噪声系数优于13d B,OP最大为-1d Bm,带内群延时变化小于50ps。2)面向被动毫米波成像接收机应用,重点研究高性能宽带可变增益放大器的设计和实现。基于65nm CMOS工艺,首先提出具有更高共模抑制比、更大输入跨导的差分跨阻放大器,以进一步提高带宽,并降低功耗;其次在反馈电阻中引入模拟信号控制的MOS可变电阻以及可变电容阵列实现增益和带宽的可重配置性,以补偿PVT对电路性能的影响并兼容其它接收机;然后采用新颖的可变跨导阵列实现高精度3-d B增益步长,并结合可变电流源阵列最终实现步长误差小于0.1d B的高精度0.5d B增益步长的跨导级。在跨导级中,采用独立的中和电容拓展带宽,保证在整个可变增益范围内带宽具有不变性;最后,考虑到大信号输入的情况,在VGA前端引入R-2R衰减器,以增加VGA动态范围,进一步提高大信号输入下的线性度性能。最终测试结果表明该VGA可变增益范围达到-10～50d B,-3d B带宽可变范围为1.2～3.0GHz。在0～60d B可变增益范围,放大器带宽可变范围为0.82～2.1GHz。在特定带宽下,整个增益可变范围内带宽变化小于10%,OP最大为4.5d Bm,0.5d B步长误差小于0.1d B。测试结果表明,增益幅频特性表明具有优异的增益平坦度且群延时变化小于25ps,性能优异,达到世界先进水平。3)重点研究应用于超导纳米单光子探测器中宽带放大器的设计和实现。基于Bi CMOS工艺,完成了两种低功耗宽带超低温放大器。为解决缺少超低温器件模型的问题,一方面根据现有参数随温度变化趋势,在电路设计中保留合理的设计裕量;另一方面简化电路结构,以增加电路可靠性。第一种超低温放大器采用基于并联电阻负反馈的放大器结构,在常温下通过对增益、带宽、噪声、稳定性等的理论分析和仿真验证进行最优化设计。测试结果表明,在4.2K超低温下可获得20.5d B的增益,-3d B带宽为120k Hz～1.3GHz,功耗仅为3.1m W。为获取更宽的带宽,第二款超低温放大器基于Cherry-Hooper放大器结构。测试结果表明,在4.2K超低温下可获得23d B的增益,-3d B带宽为130k Hz～3.4GHz,功耗仅为4.3m W。

关键词： 视觉假体   微电流刺激器   SAR ADC  

摘要： 在这个主要靠眼睛去获取信息的时代,失明给人们生活的方方面面都带来了巨大的阻碍,而且医疗负担的增加和生产力的下降会造成巨大的社会成本。随着各个学科的发展与进步,神经修复技术使人们看到了恢复盲人视觉功能的希望,使得视觉假体成为国内外的研究热点。本文提出了一种视神经刺激器结构,完成了模拟电路的设计并进行仿真,对部分电路的版图进行设计和后仿。本文设计的视神经刺激器包括刺激电流产生电路、电荷平衡电路和电极监控电路三部分,结合了衬底驱动技术,将电源电压降低为0.9V以实现低功耗设计。刺激电流产生电路中的DAC电路采用了分段式电流型结构,实现了高匹配度与芯片面积的折中,改进了传统正负电流产生电路的结构,以便于在低电压下使用。基于SMIC 0.18μm工艺库对电路进行设计和仿真,结果表明刺激电流产生电路可以产生符合设计要求的正负双向刺激电流,电流脉冲的脉宽和幅值可控。DAC电路的功耗为0.12mW,刺激电流产生电路的整体功耗约为1.9mW。电荷平衡电路中采用无静态功耗的两级动态比较器,正确实现了电荷堆积状态的判断。电极监控电路中的SAR ADC电路采用了一种低耗能的DAC电容网络开关方式,与传统结构开关方式相比,DAC电容网络消耗的开关能量减少了93.74%,仿真结果表明在输入频率为53.906kHz,采样频率200kHz的情况下,SNDR为49.51 dB,SFDR为61.29dB,有效位数为7.93bit,功耗仅为20nW。

关键词： 液位测量   超声波   低功耗   石油压裂  

摘要： 在石油勘探和生产领域,各油田对于水力压裂技术的使用越来越广泛。由于在水力压裂施工期间,作业现场需要使用大量储液罐存储压裂液,所以需要对液罐中液位的变化情况进行实时监测,保障施工顺利进行,防止冒罐或者缺液。在过去一直选择使用人工测量方式对储液罐的液位高度进行监测,但是这种监测方式劳动强度大、工作效率低,还存在极大的安全隐患。因此需要设计一套远程液位监测系统,对液位进行实时监测,同时可以掌握各类液体剩余液量,便于统筹管理。在关键技术的对比中,选择使用超声波液位测量技术进行液位监测;选择使用基于SI4438射频芯片的无线通信技术进行无线数据通信。由于施工作业现场环境复杂,针对液位监测的实际应用场景进行了需求分析。最终将低功耗作为本系统设计核心。液位监测系统分为液位监测节点和上位机两部分组成,通过无线通信模块进行数据传输。液位监测节点中包括了微控制单元、超声波液位测量模块、电源模块和节点无线通信模块。上位机主要任务是配置节点展示信息、唤醒指定液位监测节点、接收液位监测节点液位等信息和对液位信息进行展示报警等处理。在无线组网方式选择为星型拓扑结构。因为本系统设计的核心是低功耗,所以重点从微控制单元中低功耗的实现、电源模块低功耗设计、电池电量测量中低功耗的实现、待机模式唤醒和液位监测节点工作流程设计等几个方面进行阐述。在液位测量功能中,重点描述了超声波接收电路对回波信号的处理。同时对节点无线模块进行配置,并将无线模块发送模式选择为定点发送。在上位机中,重点介绍了通信协议的设计、工作流程设计和界面展示。为了满足液位监测节点的应用需求,需要对本系统进行功能测试。主要测试监控平台和硬件终端。在监测平台测试中,重点对监测平台的展示信息进行功能测试,在硬件终端测试中,重点对超声波测距模块的测量误差进行测试分析,同时通过上位机与多个液位监测节点进行组网测试。最后对液位监测节点连续工作时间进行测量与计算。测试结果表明,该系统满足设计需求,并应用于实际工程中,具有一定的工程应用价值。

关键词： IMU   可穿戴设备   Bosch BMI270   BMI  

摘要： 贸泽电子(Mouser Electronics)即日起备货Bosch的BMI270智能惯性测量单元(IMU)。此款超低功耗IMU采用Bosch的MEMS工艺技术,大大减小了加速度计的偏移并提高了灵敏度。BMI270包含直观的手势、情境和活动识别功能,并集成了即插即用计步器,特别适合可穿

关键词： 无线传感器   刮板输送机   张力监测   分布式张力监测   低功耗传感器   刮板链  

摘要： 刮板输送机是综采工作面机械化采煤的重要装备。刮板链是刮板输送机关键部件,且有较高的失效率。刮板链的故障监测很重要。刮板链的张力是表征刮板链运行状态的重要参数,因此通过利用张力传感器检测刮板链的张力,就能有效预测并避免故障的发生。煤层时常渗出大量矿井水,可淹没至中板,给监测系统的安装带来极大的困难。因此,提出了一套板输送机改造方案和一套低功耗刮板输送机刮板链分布式动张力监测系统。本文的研究内容主要如下。首先分析了刮板输送机刮板链张力监测的必要性和刮板输送机实际工况对监测系统的影响。明确了刮板输送机张力监测系统安装的困难点和实际工况对监测系统功能的影响。根据功能需求,确定张力监测系统采用无线通信的方式发送张力数据。首先阐述了矿井水、电磁干扰、安装方案对无线通信的影响。根据电磁波理论,通过具体计算估计无线通信质量和通信距离。根据计算结果进一步设计无线通信方案,包括张力采集装置和数据接收装置的位置确定,信号通路的设计,定向天线的设计等。最后建立无线通信模型,利用HFSS仿真无线通信方案的电磁波信号质量,评估无线通信的可行性。为了延长监测系统服役时间,综合考虑监测系统的工作流程和安装方案后,设计了基于接近开关和休眠机制的节能策略。根据实际工况,选择了基于霍尔效应的接近开关。阐述霍尔效应的基本原理,然后根据磁路原理和顺磁材质的特性设计出适用于在刮板输送机上安装接近开关新型结构。用Maxwell对接近开关进行建模,验证其可行性。接近开关结合软件上休眠程序的设计,使得张力采集装置在接近数据接收装置时开启无线发射机,数据发送结束后再进入低功耗休眠模式。张力采集电路是张力检测系统的基础内容。确定对传感器类型后,根据实际需求和工况,设计灵敏度和温度补偿都有较好性能的测量电路。设计了差分放大电路和滤波电路对测量电路输出信号进行调理。根据应变片参数和电路元件参数,确定了刮板链应变与张力采集电路输出电压的函数关系。最后通过仿真设计验证电路设计的正确性。硬件设计完成后,设计了张力监测系统的程序。张力监测系统的张力采集装置和数据接收装置通过Basic RF网络协议进行点对点通信。根据实际需求对网络协议中的数据包进行重新定义,阐述了网络协议的工作过程以及分析了接收信号强度的计算。分别设计了张力采集装置和数据接收装置各自的应用层程序。张力采集装置的应用层程序包括对张力采集电路的数据采集、数字化、休眠程序等。数据接收装置的应用层程序包括张力数据计算、与上位机通信和数据可视化程序。最后制作出张力监测系统,验证了张力监测系统的基本功能,测定了张力监测系统功耗、数据发送-接收时间等参数。搭建试验台模拟井下真实工况,验证张力监测系统的可行性。通过传感器标定实验,修正减小张力采集装置测量误差。通过温度稳定性实验,确保张力监测装置足以适应井下较大的温差。

关键词： Electrical engineering  

摘要： The combination of ultra-low power analog front-ends and CMOS-compatible transducers enable new applications, such as environmental monitors, household appliances, health trackers, etc. that are seamlessly integrated into our daily lives. Furthermore, wireless connectivity allows many of these sensors to operate both independently and collectively. These techniques collectively fulfill the recent surge of internet-of-things (IoT) applications that have the potential to fundamentally change daily life for millions of people. In this dissertation, the circuit and system design of wireless receivers and sensors is presented that explores the challenges of implementing long lifespan, high accuracy, and large coverage range IoT sensor networks. The first is a wake-up receiver (WuRX), which continuously monitors the RF environment to wake up a higher-power radio upon detection of a predetermined RF signature. This work both improves sensitivity and reduces power over prior art through a multi-faceted design featuring an impedance transformation network with large passive voltage gain, an active envelope detector with high input impedance to facilitate large passive voltage gain, a low-power precision comparator, and a low-leakage digital baseband correlator. Although pushing the prior WuRX performance boundary by orders of magnitude, the first work shows moderate sensitivity, inferior temperature robustness, and large area with external lumped components. Thus, the second work shows a miniaturized WuRX that is temperature-compensated, yet still consumes only nano-watt power and millimeter area while operating at 9 GHz. To further reduce the area, a global common-mode feedback is utilized across the envelope detector and baseband amplifier that eliminates the need for off-chip ac-coupling components. Multiple temperature-compensation techniques are proposed to maintain constant bandwidth of the signal path and constant clock frequency. Both WuRXs operate at 0.4 V supply, c

关键词： 农村饮用水   水质监测   低功耗   无线传感器网络  

摘要： 农村饮用水安全是农村人口健康的重要保障。我国当下农村的两种供水形式,即集中式和分散式,都缺乏对饮用水进行长期监测的手段。农村饮用水监测可以让监测人员第一时间掌握水质指标的优劣变化,降低农村饮用水因污染而带来的威胁,提高农村居民的日常饮水的品质,保障农村居民的饮用水安全。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由多个传感器节点组成的无线网络,通过在选定的监测区域部署大量的节点,从而得到目标监测区域的数据,完成对多个监测点的在线监测。WSN凭借着成本低廉、节点部署灵活等优点,被逐渐应用到了水质监测。本文以农村饮用水监测为研究背景,分析了国内外水质传统监测方法与水质在线监测技术的研究现状。针对传统水质监测中人工定期抽检方法存在的水质监测结果实时性较差,水样抽取费时费力等问题,以WSN为技术手段,设计了一种基于WSN的农村饮用水监测系统。饮用水监测系统主要由两类功能节点构成,其一是搭配传感器用作水质数据收集,称为数据采集节点;另一节点负责以无线通信的方式汇总采集节点的水质数据,再将数据联网上传到水质监测中心的服务器中,供监测人员查询访问。硬件方面,本文分析了农村饮用水监测的功能需求,设计了围绕主控芯片的功能模块电路。软件方面,本文为两类节点设计了工作流程,编写了相关的功能程序,包括各模块配置初始化、无线通信的数据封装与收发等。监测系统移植了u COS-II实时多任务系统,以任务为单位管理节点的功能运作,提高节点的工作效率。同时,针对WSN节点能量受限,有限的问题,本文设计了发射功率自动调整节能机制,配合主控芯片的休眠待机机制以降低节点功耗。本文对饮用水监测系统性能进行了试验测试,试验结果表明,传感器检测的读数与测试溶液标准值的误差小于3.0%;发射功率自动调整机制可以主动调整发射功率等级,减少无线模块发送数据的能量消耗;节点在休眠待机模式下电流降为0.1m A,结合发射功率定点自适应机制,进一步减少节点的电能损耗,与固定发射功率的节点相比,节点的存活时间最高延长了89.6%。同时,本文还对监测系统网站平台的数据更新时延进行试验,结果表明监测系统数据更新时延在12s左右。

关键词： 低功耗   PCM   时钟门控   功耗门控   IC  

摘要： 就当今日益庞大而复杂的数字集成电路(Integrated Circuit,IC)设计而言,工业界对芯片设计的要求已从单纯追求高性能、小面积转为对性能、面积、功耗的综合要求。低功耗可以提高系统的稳定性,保证电路的正常工作,延迟芯片的使用寿命,同时可以节约封装成本,延长移动便携设备的待机寿命,这可以很大程度上提高芯片的竞争力。PCM(Pulse Coded Modulation)模块是RF(Radio Frequency)系统和AP(Application Processor)系统之间用于蓝牙音频信号传输的系统。为了从IC前端的电路设计部分降低PCM模块的功耗,本论文主要做了以下的工作:首先综合分析数字集成电路功耗的组成部分以及功耗的影响因素,分析电路中的静态功耗的组成部分,导致漏电流形成的物理机制以及动态功耗的形成原因。然后基于PCM模块的基本功能需求,采用硬件描述语言设计PCM模块的寄存器级代码,并通过代码风格检查,功能前仿真进行代码质量的检查,将寄存器级代码综合为门级网表文件,采用PTPX对其估算功耗,结果为7.325e-04 W。其次对电路中采用时钟门控的设计方式,在寄存器组的时钟网络插入时钟控制电路,剔除掉不必要的时钟活动性,减小PCM电路中存在的冗余的开关动作,时钟门控结构加入后总的功耗为2.780e-04 W,节省了62.05%的功耗。最后对PCM电路中的子模块asynifo采用门控电源的设计方式,在其处于休眠模式下,为减少asynifo内部产生的不必要的静态功耗,可以采用直接切断其电路电源的方法,asynifo门控电源设计之后PCM的功耗优化结果为2.262e-04 W,对比加入Clockating优化之后的总功耗,节省了18.63%的功耗。两种方法结合PCM模块的总功耗一共节省了69.12%。本论文的低功耗优化方法可以较大程度上降低PCM模块的功耗,对于实际的集成电路功耗优化而言具有较强的参考意义和实践价值。