关键词： LC振荡器   压控振荡器   相位噪声   调频范围  

摘要： 随着5G时代来临,通信技术不断更新迭代,高速发展的通信需求对通信系统中各个单元的性能要求不断提升。压控振荡器作为无线通信中重要的组成单元,如何提升这一单元的性能,提高其频率覆盖范围,降低相位噪声,降低功耗等方面一直是科学家探索的方向。近年来,随着硅基CMOS工艺不断高速发展,CMOS的最高截止频率也不断提升,使射频芯片集成在CMOS片内成为了可能。为节省成本以及提高整体系统集成度,硅基CMOS工艺下LC振荡器的设计也成为近期重要的发展方向。 对硅基CMOS压控振荡器的研究由来已久,目前有许多新的结构与设计方案被提出。LC振荡器设计与优化的核心模块在其中的无源电路的设计,因此本文对无源器件进行了详细的分析,并对损耗机制,结构类型与优化方法等方面进行了剖析验证。 本文基于28nm CMOS工艺,完成了宽调频范围的LC振荡器设计。设计中使用了四个相互耦合的电感,通过双核磁耦合方案以及磁场调节方案实现了三种电感模式的的切换,拓展了调频范围。设计还使用了高摆幅C类振荡器方案一解决该工艺节点固有的闪烁噪声过大的问题。设计完成至后端仿真验证,设计频率达到2.11-5.4 GHz,整体调谐范围为87.5%,设计的功耗为2.3-3.5 mW,在1MHz频率偏移处相位噪声最优值为-130.4dBc/Hz,FoM最优值达到192.9 dBc/Hz包含调频范围的品质因子FoMT最优值达到211.7 dBc/Hz。 本文基于180nm CMOS工艺,完成了高性能宽频带LC振荡器设计。设计使用了更高电源电压的晶体管,提升输出摆幅,使用多核电耦合方式同时实现频率拓展与相位噪声优化,并保证相位噪声在频带范围的一致性。本设计仿真基于180nm CMOS工艺,设计完成至后端仿真验证,设计频率达到2.12-3.58 GHz,整体调谐范围为50.5%,设计的功耗为31-41.4 m W,在1MHz频率偏移处相位噪声最优值为-142.1dBc/Hz,FoM最优值达到192.4 dBc/Hz。

关键词： Sigma-Delta调制器   低功耗   高精度   动态反相放大器   栅压自举开关  

摘要： 近年来,随着第五代蜂窝网络技术（5G）的飞速进步以及云计算的兴起,数字化已经成为时代趋势,而模数转换器（ADC）是将现实世界与数字世界相连接的关键部分,已成为不可或缺的接口模块。其中,Sigma-Delta ADC利用其独特的过采样和噪声整形技术,达到了更高的模数转换精度,在高品质数据音响系统、高精度传感器设备等需要高分辨率和低噪声信号采集及处理的领域中备受青睐。而Sigma-Delta调制器,作为Sigma-Delta ADC的核心组成部分,对于研究和设计低功耗且高精度Sigma-Delta ADC来说至关重要。 本文设计了一款低功耗且高精度的离散时间三阶一位单环CIFF结构Sigma-Delta调制器,其主要由三级开关电容积分器、前馈求和电路、一位量化器和一位反馈数模转换器（DAC）电路构成。本设计特别采用传统固定偏置的两级共源结构运放实现第一级积分器,以保证调制器精度;而采用动态反相放大器实现处于噪声整形环路中的第二、三级积分器,以降低调制器功耗。同时,本设计采用栅压自举开关实现第一级积分器中信号的采样,以提高信号采样的线性度与精度。此外,本设计还采用开关电容式前馈求和电路和动态比较器,以进一步减少调制器电路的总体功耗。 本文所设计的Sigma-Delta调制器基于中芯国际（SMIC）0.18μm CMOS工艺完成了电路及版图设计,版图面积为2215×940μm2。当电源电压为1.8V,采样频率fs为1.024MHz,信号带宽为2k Hz时,后仿结果显示本文所设计的调制器信噪失真比（SNDR）为109.4d B,有效位数（ENOB）为17.9bits,总功耗仅为297.9μW,实现了低功耗且高精度的设计目标。

关键词： 电荷泵系统   非交叠时钟   PFM调制   转换效率  

摘要： 随着高集成技术的发展,在现代生活中,各种小型电子产品已经成为人们生活中不可或缺的组成部分。为了满足市场对电源管理的需求,如何提升电压转换效率,降低功耗,保证输出稳定等性能参数是现在电荷泵的主要研究方向。 本文首先介绍了电荷泵的基本工作原理,然后分析了几种传统的电荷泵电路结构,并阐述了它们各自的优缺点。针对传统电荷泵电压损耗严重的问题,本文设计的电荷泵电路的开关管使用了深N阱工艺,其衬底电位能够接自由电位,此时将开关管的源极与衬底相连,可以消除衬底偏置效应。而衬底动态偏置电路通过选择合适的衬底电压来避免寄生三极管效应引起的漏电流问题,从而提高了电荷泵系统的转换效率。非交叠时钟产生电路则能够避免交叠时钟引起的电荷泄露问题,进一步提高效率,并且非交叠时钟采用多个反相器来构成延迟单元,降低了功耗。电荷泵系统采用PFM调制技术保持输出电压的稳定并减小了开关管的开关损耗。 本文基于中芯国际0.11μm CMOS工艺,使用cadence公司的spectre仿真工具对设计的整个电荷泵系统进行仿真,仿其输出效率可以达到95%,并对整体电路进行了版图设计以及流片测试,测试结果也与仿真结果基本保持一致。

关键词： 低功耗   蓝牙   心电信号  

摘要： 随着全球老龄化问题加剧,心血管疾病成为主要健康威胁。本文提出一种低功耗心电监护设备设计,采用特殊编码射频信号唤醒终端和蓝牙上行传输模块的休眠机制,结合休眠模式和本地存储减少数据处理功耗。本系统的核心在于低功耗通信架构,优化了传统心电监测设备的能源管理与数据处理流程。具体来说,本研究的工作可分为三个主要部分: (1)低功耗上下行通信架构:本文设计了非相干解调接收机以实现下行唤醒与判别机制,并使用低功耗蓝牙技术进行心电数据的上行传输。系统移动端利用PIE编码的Wi-Fi信号唤醒终端设备,继而通过BLE连接传输心电数据。为了降低处理Wi-Fi信号的能耗,设计了一种转换电路能直接将Wi-Fi信号转换为总线信号,从而实现下行通信并唤醒终端。当不需要进行数据传输时,BLE连接会断开,并使设备进入休眠状态,以减少能源消耗。系统仅在移动端主动进行唤醒或由于终端的实时异常检测触发数据传输时,才会通过中断方式唤醒,进而执行必要的数据处理和传输任务。 (2)低功耗心电传感终端:本文中的终端设备主要负责低功耗的数据采集、处理以及实时心电异常的初步判断。终端通过低功耗心电传感器对心电信号进行连续采样,并将数据存储在本地存储单元中,确保了数据的准确性和完整性。考虑到低功耗唤醒机制可能对系统的实时异常预警功能产生影响,本系统在硬件终端中增设了一个实时判断机制,该机制专为处理器设计旨在低计算成本用于初步判断心电信号波形是否存在异常。一旦检测到异常波形,将主动建立与移动端的通信连接,并触发移动端进行更深入的异常检测。 (3)智能远程移动端:主要负责心电波形的显示、异常诊断以及对终端工作模式的控制。移动端首先接收从心电传感硬件终端传输的心电数据包,然后对这些接收到的心电信号进行详细分析,目的是检测是否存在任何异常情况。在检测到异常情况时,远程终端将立即激活报警机制,并对终端的工作模式进行相应调整,以确保及时响应和处理潜在的心脏问题。 总体而言,本研究成功实现了一个低功耗的心脏健康状态检测系统。经过全面的评估,系统所需的功耗为10.52m W,同时其上下行通信性能以及心电信号误差均符合行业标准。

关键词： 电池管理系统   BLE Mesh   扩展卡尔曼滤波   无迹卡尔曼滤波  

摘要： 电池作为电动汽车的重要组件推动着国家绿色出行产业的发展。电池管理系统作为电动汽车核心管理部件具有重要研究价值。目前动力电池管理系统存在算力扩展能力不足的问题,同时在电池健康状态估计方法中存在对电池非线性化拟合程度不足导致准确率低的问题。本文旨在设计一种基于低功耗蓝牙网状网络(Bluetooth Low Energy Mesh,BLE Mesh)的无线电池管理系统,利用BLE Mesh多对多无线通信特性便捷扩展电池管理系统算力;同时研究并优化电池健康状态估计算法,提升估计精度。本文研究的主要内容包括: 针对电池管理系统算力部署受限导致算力扩展能力不足的问题,本文采用BLE Mesh协议的多对多无线通信特性,设计一种面向国产芯片,基于BLE Mesh通信组网的无线电池管理系统。首先设计电池管理系统采集平台对分布式电池组的电池状态数据进行采集监测;再通过设计蓝牙通信平台,建立起BLE Mesh通信网络,分布式电池组的电池状态数据在BLE Mesh网络中进行多对多无线传输,传输至多个运算控制单元,便捷扩展了系统算力。 针对电池管理系统的电池健康状态估计方法中对电池的非线性化拟合程度不足导致准确率低的问题,结合长时间尺度的修正方法,联合无迹卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器,建立长时间尺度下的联合卡尔曼估计算法。扩展卡尔曼滤波器通过对非线性系统的状态转移和观测模型进行泰勒展开来近似电池等效电路模型中的内部参数值。无迹卡尔曼滤波器通过状态变量高斯分布的选定点进行非线性变换,提升了估计模型对电池这种高度非线性系统的拟合近似程度。优化算法兼顾了无迹卡尔曼对非线性化系统近似程度上的精度优势和长时间尺度修正在电池健康状态估计精度上的优势。 最后,搭建出基于BLE Mesh通信组网的无线电池管理系统,对本文研究设计内容进行实验验证。实验结果表明,系统电池状态数据采样精准,BLE Mesh多对多无线通信传输准确,可靠性良好,能够有效地便捷扩展系统算力。在不同电池工况下,用长时间尺度下的联合卡尔曼估计算法在电池健康状态估计中对比DEKF算法和AUKF算法,最大绝对误差分别降低了31%和25%,平均绝对误差分别降低了22.5%和25.3%。实验结果表明,在基于BLE Mesh网络搭建的系统平台上,本文所建立的优化算法估计电池健康状态具有更低的误差,更高的精度。

关键词： 数字阀   阀芯撞击力   软着陆   多目标优化  

摘要： 数字液压技术具有高效节能、控制智能等优点,符合国家“十四五”智能制造发展规划。数字阀作为数字液压系统的核心元件,其集成数字信号控制,可与传感器相结合,实时监测反馈系统状态参数,实现液压系统的数字化闭环控制,提高系统的快速性和稳定性,在降低系统能耗的同时提高系统运行效率。目前对于数字阀的控制策略研究多偏向于提高数字阀响应速度,对数字阀启闭过程减小阀芯与阀座撞击力和降低系统能耗方面的研究较少。因此,本文以低功耗数字阀为研究对象,针对低功耗数字阀开启过程的阀芯撞击问题,提出数字阀高占空比软着陆驱动控制方法和高激励时间软着陆驱动控制方法,并考虑撞击、能耗和响应之间存在的冲突问题,使用多目标优化算法确定软着陆驱动控制最优解。本文的主要研究工作如下: (1)针对一种低功耗数字阀,进行结构介绍,分析其断电自保持工作原理,并建立数字阀的电场、磁场、流场和动力学数学模型,搭建电磁场Maxwell有限元仿真模型、流场Fluent有限元仿真模型,最终在ANSYS Simplorer中构建多场耦合仿真模型,为后续软着陆驱动策略仿真研究奠定基础。 (2)针对数字阀开启过程的阀芯撞击问题,提出数字阀的撞击力评价指标计算方法,以及数字阀工作过程的系统能耗、响应时间评价指标。对数字阀的PWM驱动特性进行分析,并对不同工况条件给出两种软着陆驱动控制方法。以减小阀芯开启撞击力为优化目标,针对评价指标冲突的问题,采用熵增法确定权重系数以进行多目标优化,最终得到最优的数字阀软着陆驱动控制方法。 (3)搭建数字阀静态电磁力测试平台,通过拉压力传感器监测阀芯匀速运动所受电磁力,验证数字阀电磁仿真模型的准确性。搭建数字阀动态特性测试平台,模拟不同负载条件并测试,验证数字阀流场仿真模型的准确性。最终搭建数字阀软着陆动态性能测试平台,对不同驱动控制方法进行试验,验证数字阀软着陆多目标优化控制方法的有效性。

关键词： 数据采集   低功耗   多采集模式   分段存储   波形录制  

摘要： 数据采集是信息技术领域的一个关键组成部分,它在计算机与外部环境之间构建起一座信息交互的桥梁,是实现信息获取的核心途径。在当今时代,数据采集技术在诸如无人机自动巡航、分布式基站管理以及智能监控哨所等多个应用领域发挥着重要作用。鉴于在复杂多变的环境中长时间稳定运行的需求日益增加,对采集设备的微型化和低功耗性能提出了更高的要求。本研究旨在针对微型化、低功耗以及多样化采集模式等关键技术和功能指标,设计并实现一种微型低功耗高速数据采集模块,并开发波形记录等相关功能。具体研究工作如下: 1)完成高速数据采集模块示波器模式的整体设计。采用低功耗模数转换器和系统级芯片进行数据采集,实现最高采样率为1 GHz的高速数据有效采集,结合多条件可选的数字触发机制以及多类型多时基的数字抽取降采样技术,完成基本的示波器采集存储,最大工作功耗低于14 W。 2)根据硬件电路的需求设计硬件电路原理图。基于上电顺序要求对电源需求进行分析并设计电源树及具体电源分支电路原理图;根据研发需求以及器件操作的可行性,分析配置功能的设计,采用多种配置模式结合,适应于实际设计需求;并针对信号输入要求及垂直灵敏度指标要求,对信号调理电路各级硬件设计电路,确认各级增益调节设计;合理构建电路,实现模块板卡尺寸微型化,长边≤13.5 cm,短边≤10 cm。 3)通过波形录制采集模式实现波形捕获率指标。对波形捕获率的指标进行分析,采用分段存储的的设计思想,设置示波器模式之外的波形录制模式;通过对DDR3的工作机制及存取指令分析,结合Xilinx用于FPGA设计的MIG IP核读写时序,通过DDR3分段存储实现波形录制模式的数据采集存储方案,实现波形捕获率20000 wfm/s的指标。 完成硬件设计与逻辑编程之后,搭建验证测试平台,进行各项功能的实验性调试。在确保信号准确性基础上,实现功能的完整性,并确保低功耗等关键性能指标满足预定的设计要求。

关键词： 唤醒接收机   微机电系统   干扰抑制   MEMS-CMOS协同设计   低功耗  

摘要： 随着物联网（IoT）技术的发展,无线通信节点数量激增,开发低功耗设备和系统级解决方案成为延长通信节点电池寿命的关键。在小型化IoT通信设备中,设备的绝大多数能量消耗在了射频接收机的周期性开启上,然而大部分时间内,设备并无通信需求,这导致大量的功耗被浪费了。为了节省设备的待机功耗,研究者们提出了唤醒接收机（Wake-up Receiver,WuRX）的通信方案。唤醒接收机可以以极低的功耗监听信道,当检测到通信需求时,激活主接收机工作。通过引入唤醒接收机,通信节点的主接收机得以在大部分时间处于睡眠状态,从而显著地降低了无线通信系统的待机功耗,设备的电池寿命也得以大幅延长。 能量探测器优先(Energy Detector First,ED-1st)WuRX通过去除射频有源电路,实现了纳瓦甚至皮瓦级的超低功耗,极大地提高了设备的能效。这种架构的WuRX在抗干扰性能上表现不佳,限制了其实际应用。尽管双音WuRX和占空比WuRX等替代架构提供了一些改进,但难以同时满足设备对于低功耗、高抗干扰性和低延迟方面的严苛需求。利用高Q值的微机电（Microelectromechanical Systems,MEMS）谐振器可以有效地减小系统射频通带的带宽,从而增强低功耗WuRX的抗干扰能力。但现有的基于MEMS谐振器的WuRX灵敏度性能较差,抗干扰能力也需要进一步提升。 为了解决现有接收机难以同时实现低功耗、抗干扰以及低延迟的问题,本文对基于MEMS谐振器的低功耗、抗干扰WuRX接收机展开了研究,主要研究内容包括: 首先,针对现有的基于MEMS谐振器WuRX灵敏度差的问题,对用于WuRX的MEMS匹配网络开展了研究。分析了匹配网络对WuRX灵敏度的影响,研究了片外匹配网络与片上能量检测（Energy Detector,ED）电路的协同设计,并提出了一种衡量匹配网络对灵敏度贡献的指标——相对灵敏度增益(Asens),并得到了不同情况下的最优设计。然后对用于匹配网络设计的MEMS谐振器等效电感模型进行了推导,确定了最佳等效电感性能与谐振器的品质因数Q以及工作频率的关系。而后对设计的匹配网络做了测试与验证。得到了最大8.6 dB的Asens,为现有工作中最好的。 其次,针对WuRX难以兼顾低功耗、抗干扰以及低延迟的问题,提出了基于高次谐波体声波谐振器（High overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR）与薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR）的极窄带滤波匹配网络,通过FBAR匹配网络与HBAR滤波器的协同滤波,利用HBAR谐振器高达20000的Q值,实现低于0.01%的相对带宽,在现有WuRX中具备最窄的射频带宽。基于极窄带滤波匹配网络,提出了无源ED-1st双音WuRX架构,并完成了从MEMS与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）芯片设计到流片测试验证的全过程。得益于滤波匹配网络提供的极窄带滤波,本文提出的WuRX兼具ED-1st型接收机的低能耗（29.5 nJ/bit）,以及双音WuRX的带内干扰抑制能力(对Wi-Fi干扰信号的信号干扰比（Signal-to-Interference Ratio,SIR）:-18 dB@3.5 MHz 以及-42 dB@46 MHz),同时唤醒延迟仅为毫秒级。在现有的超低能耗（<100 nJ/bit）WuRX中,具备最好的抗干扰能力。 最后,为了增强WuRX的带外抑制性能,本研究提出了一种MEMS与CMOS协同设计的谐振能量探测器（Resonant Energy Detector,RED）。该探测器通过栅极和漏极输入信号的相互抵消,有效实现了干扰的抑制,从而显著提升了滤波性能。测试结果显示,本文提出的RED实现了 15 MHz的射频带宽,同时在3 GHz以上的频率范围内,SIR达到了-30 dB。此外,RED还展示了增强下变频增益的能力。与采用多级滤波器来增强带外抑制的方案相比,RED能够显著提高系统的灵敏度。因此,基于MEMS和CMOS组件协同设计的RED被证实是抑制WuRX带外干扰的有效策略。

关键词： 桥梁结构   应变信号   既有裂缝   无线传输   低功耗  

摘要： 近年来,随着大型桥梁建设数量的不断增加以及形式和功能的日益复杂,桥梁的结构健康监测技术变得越来越重要。裂缝作为桥梁工程中最主要的病害之一,能否对其进行及时的监测和养护关系到桥梁的安全性和耐久性。通过对桥梁裂缝应变的监测,可以对桥梁结构的受力现状和发展趋势进行评估和预测。现有的针对于桥梁既有裂缝的监测方式及设备由于布线困难、安装位置受限以及易受外界干扰等问题,其监测范围和效果受到限制,已难以满足现代工程监测的需求。对此,本文设计并实现了一种面向桥梁既有裂缝的智能监测系统,通过先进的传感器技术、无线通信技术、嵌入式系统技术和数据处理算法,大大提高了系统的部署灵活性、实时性以及扩展性,实现了对桥梁既有裂缝的高精度实时监测。 本文针对于桥梁既有裂缝的智能监测系统设计与实现主要完成了以下工作: (1)本文通过对硬件系统的设计优化,成功实现了硬件数据采集端的小型化,提升了系统整体性能和便携性,同时确保了监测过程中数据的准确性和可靠性。设计过程主要包括硬件组件的选择、布局优化和信号处理技术的高效应用,最大化地提高了硬件的工作效率和数据处理能力。这种小型化设计使得系统能够在各种环境中高效、准确地完成数据采集任务,为用户提供了一个高性能、高精度和易携带的监测解决方案。 (2)本文通过对LPWAN通信技术的建模分析,提出了两种(NB-Io T和Lo Ra)LPWAN技术的实际应用方案,提高了能源效率和系统可靠性,并根据相应的通信方案设计开发了对应的可视化软件系统,为桥梁既有裂缝监测系统的能效优化提供了新思路。 (3)本文设计了一种高效的自适应数据滤波算法和线性校准算法,针对监测环境中的多种误差源进行细致分析与处理,显著提升了监测系统的精度和稳定性。通过自适应滤波和校准算法的优化处理,使得监测系统能够高效适应动态环境并提升监测数据的准确性,为高精确的桥梁既有裂缝监测提供了新的技术路径。 (4)本文通过硬件系统和软件系统的紧密整合,达到系统高精度和实时性的设计目标,实现了对桥梁既有裂缝的实时精确监测。同时,通过硬件系统的驱动设计,完成了硬件系统的低功耗的设计目标,保证了系统实际应用的可靠性。 通过实验测试,该系统具有高精度监测、实时数据传输和低功耗运行等优点,为桥梁既有裂缝的监测提供了新的技术手段。通过系统设计、实现和测试,系统对于应变信号的采集精度,在0～10000με范围内,对应变信号的采集误差小于0.01%。通过多组裂缝监测实验,系统对裂缝监测的误差小于0.1%,验证了系统对桥梁裂缝监测的可靠性。在保证系统监测精度的同时,降低了系统的功耗,简化了硬件系统的体积,系统功耗仅71.39m W,体积仅为10cm*10cm*4cm。本文系统不仅在技术上创新,提升了桥梁结构既有裂缝监测的技术水平,而且在工程应用中展现出广阔的应用前景,为未来工程监测技术的发展提供了强有力的支持。