教学课程资源库 更多>>

摘要： 2024年4月26日,中汽协会车用电路系统标准法规工作会议在厦门圆满召开。中国汽车工业协会行业发展部主任黄兴、中汽协会车用电路系统分会理事长张杰、副理事长肖阳、副理事长李普天、秘书长李伟阳、长沙汽车电器研究所所长胡梦蛟等领导专家以及来自科研院所、整车及零部件企业、行业协会、专业媒体等近50位代表出席会议。

关键词： MEMS   加速度计   信号检测   运算放大器  

摘要： 传感器是物联网（IOT）的核心,MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）传感器又凭借其微小、低功耗和高精度等优点使其成为新一轮经济发展和科技进步的战略点和智能领域的重要生产环节,被广泛用于汽车监测系统、手机等消费电子、航空航天和国防安全等领域。目前对电容式加速度传感器的精度要求越来越高,测量范围要求越来越大,这样极大增加了检测电路设计的难度,因此MEMS传感器检测集成电路的研究对于MEMS传感器的发展意义重大。 本文首先对国内外电容式MEMS加速度传感器检测电路相关文献进行调研,深入分析电容式MEMS加速度传感器结构和原理并综合参考文献中电路系统架构和各个功能模块电路,提出本文检测电路的设计方案。因开关电容式采集在噪声、失配和线性度几个方面的良好性能选择了开关电容的方式进行电路设计并进一步对C/V（Capacitor/Voltage）转化电路原理进行了分析,在电容电压转换过程中存在着导通电阻、时钟馈通和电荷注入三个非理想因素,本文采用了栅压自举开关、互补开关和非交叠时钟电路来减小非理想因素的影响。 本文依据MEMS加速度传感器±8g的加速度量程和其他系统设计要求确定了检测电路的整体架构和指标。因电路设计软件没有传感器结构模型,因此本文用Verilog-A语言来描述并建立加速度MEMS传感器的模型。本文选择用提高增益结构的折叠共源共栅运算放大器设计C/V转换电路,之后完成了运算放大器的主体结构、偏置电路和共模反馈模块设计。本文所设计的C/V转换电路具有大带宽、低功耗等性能特点,工作频率能达到100 KHz及以上,仿真结果相较于文献中的电路,本文设计的电路在工作频率方面的性能突出。然后分别设计了芯片的启动电路、带隙基准电路、开关电容低通滤波电路和非交叠时钟模块等辅助电路模块,在文章的最后做了电路版图的布局规划。 本文的设计的检测电路采用标准CMOS 0.18μm工艺,电路前仿真结果显示,系统采集范围为±8 g,系统的功耗为3.3 m W,模拟版图评估面积约为0.15 mm2,非线性度为1.15%,等效输入加速度噪声为20μg/Hz1/2,系统工作频率最高可达 150 KHz,本文提出的检测电路各项指标都满足系统设计要求,且具有高带宽、低功耗、低噪声和高线性度等优点。

关键词： 巴斯德毕赤酵母   Tet-on系统   CRISPRa   T7转录系统   基因遗传电路  

摘要： 巴斯德毕赤酵母（Komagataella phaffii）是工业上重要的微生物细胞工厂,广泛应用于异源蛋白生产和天然产物合成。而基因的转录调控是决定基因表达强度和调控模式的关键点,对于高效能细胞工厂构建至关重要。受限于微生物本身天然转录调控系统表达强度和调控模式的限制,其难以满足日益增长的研究和生产的需要。基于此问题,本研究旨在在毕赤酵母中引入异源的基因转录调控系统,具体包括开发了基于rtTA（reverse tetracycline-controlled transactivator）的Tet-on（Tetracycline-on）诱导系统,通过添加化学小分子强力霉素可以实现下游基因诱导表达。随后测试了CRISPRa转录调控系统系统在巴斯德毕赤酵母中的适用性,并证明了异源的T7转录系统可以高效地驱动sgRNA的表达。最后探究了利用T7转录系统构建了一系列在转录水平上构建基因遗传电路的可行性,为巴斯德毕赤酵母这一工业菌株提供了一套可行的基因转录调控工具。具体的研究内容及结果如下: （1）测试了Tet-on系统在毕赤酵母中的适用性,并进一步对该系统的各个元件进行优化。通过筛选合适的核心启动子序列、优化控制rtTA表达的启动子、转录激活结构域优化以及构建rtTA突变体,提高了Tet-on诱导系统的性能。其中基于rtTA-V10的诱导系统在无诱导剂下显示出极低的本底水平（1.05倍本底水平表达）,而添加诱导剂后其动态范围达到了52.76倍。基于rtTA-VPR诱导系统则拥有最高的转录强度和更高的敏感度,在甲醇为碳源下其表达强度达到了PAOX1的111.16%,在甘油、乙醇、葡萄糖下达到了PGCW14的110.65%,106.05%,112.24%。 （2）测试了基于CRISPR/dCas9-VPR的转录激活系统在毕赤酵母中的适用性。然后,引入异源的T7转录系统来控制sgRNA表达,通过对T7转录系统各个组件进行优化以提高sgRNA的表达水平,具体包括T7 RNAP序列的优化和T7转录结构的优化,最后优化的T7转录系统表现出和内源Pol Ⅲ型启动子相当的激活效率（4.0倍）。 （3）测试了基于split-T7系统在毕赤酵母中的构建AND逻辑门控的可行性。然后测试了基于HH-HDV核酶自切割的gRNA表达与T7转录系统联用构建了OR逻辑门控。最后,通过内源响应UPR（Unfolded protein response）的启动子构建了一个UPR自响应系统,使菌株内质网压力维持在相对合适的水平,其分泌蛋白产量相较于初始菌株提高了116%。

关键词： 废电路板非金属   催化热解脱溴   高值化再利用   超级电容器  

摘要： 破碎-分选后的废电路板非金属主要由玻璃纤维、溴化环氧树脂及少量残余金属组成,其体系复杂,处置困难。焚烧、填埋等传统处理方式不仅存在环境污染风险还会造成资源浪费等问题。而填料法、材料法等处置方法无法改变含溴物质赋存状态,存在二次污染风险。因此,开发一种环保且高效的方法实现废电路板无害化、资源化处置是非常有必要的。本文针对非金属中的含溴有机物,采用催化热解脱溴的方式实现溴元素的去除;针对产量大、元素复杂、价值属性低的热解残渣,根据其元素组分和物料特性,通过碱活化和碳热还原方法制备出性能优异的多孔电极材料并将其应用于超级电容器中,实现其资源化利用。本文通过对热解脱溴工艺参数、脱溴机理、电极材料制备及高低温电化学性能的研究,提出废电路板非金属“催化热解脱溴-热解残渣制备超级电容器”的资源化处置工艺,为废电路板无害化、资源化处置提供了新的解决路径。 废电路板非金属催化热解脱溴:针对废电路板非金属中溴含量高、难去除的问题,本文提出催化热解脱溴的解决思路,以废弃锂电池的正极材料LiMn2O4作为催化剂,将废电路板非金属与LiMn2O4催化热解,实现废电路板非金属中溴元素的高效去除,同时将溴元素用于LiMn2O4中锂的选择性提取。热力学计算表明反应体系所涉及的溴化反应和还原反应的吉普斯自由能均小于零,表明反应均可自发进行。热重结果显示加入LiMn2O4后热解反应发生的起始温度降低,表明LiMn2O4可促进C-Br键断裂,改变废电路板非金属的热解过程。催化热解脱溴实验结果表明,废电路板非金属与LiMn2O4的质量比为1:1.5,反应温度为500℃,反应时间为30 min是催化热解脱溴的最佳工艺参数,在最佳工艺参数下脱溴效率为89.09%,Li提取率为99.66%。GC-MS结果表明,在最佳脱溴条件下,热解油和热解气的组分得以简化,且热解油和热解气中所含溴化有机物的体积分数均明显下降。通过对热解渣成分分析可得,热解渣中溴元素的含量增加且主要以Li Br的形式存在。基于催化热解脱溴实验和表征分析结果,本文提出“LiMn2O4催化有机溴转化-HBr活化-热解产物还原-无机溴去除”的脱溴机制,即LiMn2O4在热解过程中促进废电路板非金属中C-Br键断裂生成HBr,而后HBr破坏LiMn2O4中的结构氧,非金属热解生成的大量还原性气体将Mn从+3、+4价还原成+2价（Mn O）,新生相Mn O具有更高反应活性,可进一步催化废电路板非金属热解,同时Li氧化物与HBr发生溴化反应生成金属溴化物留存在热解渣中,实现无机溴的去除和LiMn2O4中Li元素的选择性提取。 热解残渣制备超级电容器:针对热解残渣产量大,组成复杂、价值属性低的问题,本文根据热解残渣的元素组分特点,通过KOH碱活化和碳热还原的方法将热解残渣制备成电极材料,实现热解残渣的高值化利用。结果表明,采用干法活化、热解残渣与KOH质量比为1:2、活化温度为800℃、活化时间为1 h、碳热还原温度为1600℃是制备电极材料的最佳实验条件。在最佳实验条件下,电极材料中富含Si C,比表面积为589 m2·g-1且具有多级孔隙结构。以8 M KOH为电解液,在电流密度为0.5 m A·cm-2的条件下,超级电容器的面积比电容为77.14 m F·cm-2。在常温20℃的条件下,经过10000次的循环,超级电容器的电容保持率为100%,表明制备的电极材料具有优异的循环稳定性。更重要的是,该超级电容器还具有优异的耐温性和适应性,在-50℃和100℃的温度下循环10000次后,电容保持率分别可达89.36%和90%,在连续变温的条件下,各个温度的电容保持率也均超过88%。 基于以上研究结果,本文建立了废电路板非金属“催化热解脱溴-热解残渣制备超级电容器”处置工艺,为废电路板非金属无害化处置与资源化利用提供了新的解决路径。通过催化热解脱溴处理后,废电路板非金属中89.09%的溴被去除,由热解残渣所制备的超级电容器具有优异的电化学性能和耐温性,实现了废电路板非金属无害化、高值化的综合利用。

关键词： 无绝缘轨道电路   ZPW-2000   建模   仿真   全要素  

摘要： 无绝缘轨道电路(Jointless Track Circuit,JTC)作为轨道交通系统中的关键设备之一,用于实时检测铁路的占用状态,确保列车运行的绝对安全。然而统计数据显示,轨道电路故障在铁路信号设备故障中频发,严重影响列车运行效率与安全。对无绝缘轨道电路进行建模与仿真,分析无绝缘轨道电路传输特性,对保证列车运行安全具有重要意义。本文以我国ZPW-2000无绝缘轨道电路为研究对象,研究内容如下: (1)建立ZPW-2000全要素无绝缘轨道电路模型。对轨道电路三种工作状态的信号传输特性进行分析,然后对其进行全要素建模,对ZPW-2000无绝缘轨道电路本身,在结构层面上,根据ZPW-2000无绝缘轨道电路内部结构,利用四端口网络和六端口网络理论建立轨道电路内部各设备的数学模型。同时考虑到ZPW-2000外部环境,建立了考虑邻区段的无绝缘轨道电路信号传输模型。建立了基于电接触理论的轮轨接触电阻等效模型,证明车轮重量、污染膜层、列车速度和轮轨间蠕滑率等会影响轮轨接触电阻,进而对轨道电路造成影响。 (2)基于ZPW-2000全要素无绝缘轨道电路模型,设计ZPW-2000全要素无绝缘轨道电路仿真系统。系统功能可分为参数输入层、状态选择层和输出层三个层面。参数输入层确定模型的基本参数,状态选择层可以选择轨道电路的工作状态、补偿电容状态、SVA状态、调谐单元状态、左右邻区段和对地泄漏影响。结果输出层可产生钢轨任意点的FSK信号、钢轨电压曲线、电流曲线和阻抗曲线。将仿真结果与调整表上的数据对照,验证模型的正确性。 (3)基于ZPW-2000无绝缘轨道电路仿真系统,对ZPW-2000无绝缘轨道电路进行特性仿真分析。探究轨道电路在三种状态下的信号传输特性,以及道碴电阻对轨道电路三种状态的影响。仿真分析了补偿电容故障、空心线圈SVA故障和调谐单元故障对轨道电路的影响,发现补偿电容开路故障、短路故障和幅值偏移,空心线圈SVA开路和短路故障以及调谐单元开路和短路故障均会使接收端电压降低。对分路状态下分路点位置以及分路电阻变化时轨道电路传输特性变化进行仿真分析,对轮轨接触电阻变化进行仿真分析。利用六端口网络模型仿真分析轨道电路的传输特性,发现六端口网络模型可以有效弥补四端口网络模型无法考虑钢轨对地泄漏方面的不足。对轨道电路道碴电阻与补偿电容、道碴电阻与分路电阻,分路点位置与分路电阻等多因素同时变化情况进行仿真分析,发现各因素之间互相影响,一个因素的变化会对其他因素的曲线产生影响。 图86幅,表11个,参考文献54篇。

关键词： 读出电路   成像芯片   模数转换器   胶体量子点   短波红外  

摘要： 基于胶体量子点（Colloidal Quantum Dots,CQDs）的新型短波红外探测技术具有工艺简单、成本低等优势,有望推动短波红外成像在工业检测等领域的规模化应用。CQDs成像芯片由探测器和读出电路构成,目前使用的读出电路多为铟镓砷或者碲镉汞探测器而开发,存在满阱容量等电路参数不匹配问题,同时现有读出电路表面存在起伏,与CQDs探测器集成后成像效果差。本文基于CQDs探测器特征,研究高线性度、高一致性、数字化、平坦化的专用读出电路设计技术。构建了读出电路信号链模型,提出了一种基于标准流片工艺的客制化电路表面与像素电极加工工艺,提出了一种列级多步式单斜坡（Single Slope,SS）模数转换器（Analog-to-digital Converter,ADC）电路,设计了一款640×512阵列的读出电路,并成功实现了与探测器的异质集成、成像系统搭建以及成像指标评测,还设计了一款2048×2048阵列的读出电路,完成了后仿真验证。本课题基于中芯国际180 nm工艺共进行了5次共计7款芯片的流片,包括2次Full Mask流片,除了1次Full Mask芯片加工中以外,其余芯片均已完成测试。全文的主要研究内容如下: 首先,根据CQDs探测器特性,立足于电路设计与电路工艺的协同开发,研究高一致性、高线性度读出电路设计方法和电路表面加工工艺,并成功研发成像芯片与成像系统。针对探测器光、暗电流随偏压波动导致成像线性度变差的问题,设计了高偏压稳定性的缓冲直接注入结构像素电路,将偏压波动控制在3.45 m V。设计了带开关控制的像素级尾电流源,解决了列线寄生导致信号线性度和一致性降低的问题,在功耗不变的情况下实现了大于99%的线性度和不同行像素响应一致性的提高。针对读出电路表面起伏导致的CQDs探测器开裂等问题,设计了一种客制化前道流片工艺,实现了电路表面平坦化,同时开发了专用的后道金质互联电极制备工艺,解决了铝电极降低器件性能的问题,将像素电路填充因子从7%提升至81.5%。在中芯国际180 nm工艺下实现了一款640×512阵列、15μm像元尺寸的读出电路,并依次实现了与探测器的异质集成、成像系统研发和成像测试。成像芯片列级固定模式噪声为4.69%,动态范围为60.19 d B,满阱容量为468.75 Ke-,读出噪声为458.48 e-,帧率56.2 fps。目前,读出电路已流片加工了2批次共计37片晶圆,达到量产水平,支撑了CQDs探测器的工艺优化和成像验证。 然后,面向数字化读出电路设计需求,支撑后续2048×2048阵列下30 fps帧率的数据转换,针对传统SS ADC转换周期数过多导致转换速率慢的问题,提出了一种多步式SS ADC结构。通过将量化过程分为半区间转换、粗量化以及细量化三步,将12-bit量化所需的转换周期数减少了14倍至276个周期。针对比较器共模电压变化导致线性度变差的问题,提出了一种采样网络和控制时序协同的设计方法,将电压变化范围缩小了32倍至31.25 m V。提出了一种高精度的粗细斜坡斜率误差校准方法,通过将细斜坡总电压放大8倍后和粗斜坡总电压进行比较,将斜率误差校准精度提高了8倍。采用中芯国际180 nm工艺实现了一款多路SS ADC芯片,测试结果表明ADC量化范围为0.2～1.2 V,在61.7 Ks/s转换速率下ADC功耗为31.2μW,微分非线性为+0.46/-0.45 LSB,积分非线性为+1.29/-1.09 LSB。 最后,为了实现分辨率更高、细节更清晰的成像,在上述读出电路和ADC芯片的基础上,设计了一款2048×2048阵列、10μm像元尺寸、12-bit量化位数的数字型读出电路,芯片面积达到24.88 mm×22.53 mm。针对大面阵下偏置电路一致性差的问题,将2048列电路分为64组,采用组间电流偏置、组内电压偏置的混合方式提高偏置信号一致性。构建RC延时链模型,分析ADC模块中横向信号线寄生参数对不同列ADC量化过程的影响,采用增加线宽、增加缓冲器等方式优化延时,不同列ADC量化结果差异小于2 LSB。电路采用26-bit并行接口以65 MHz速率并行输出数字信号,帧率30 fps,线性度大于99%,满阱容量468.75 Ke-。 本文提出的电路设计与电路工艺协同的开发思路和具体实现方法,将推动CQDs短波红外成像技术在器件制备、异质集成工艺、成像系统开发、成像应用等方面的发展。

关键词： 模型压缩   目标检测   缺陷检测   PCB电路板   小目标  

摘要： 印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)是当今时代支撑各种电子设备的核心部分。随着电子制造业的快速发展,PCB的生产工艺不断迭代更新,PCB承载电路的规模也呈指数级增长,这增加了出现微小缺陷的可能性,同时也对检出PCB的表面缺陷带来困难。基于机器视觉的检测方法使用了图像处理和机器学习的相关技术,具有速度快、准确率高的特点,成为目前广泛使用的检测方式。本文以机器视觉检测为核心,通过收集相关的公共数据集,并以PCB缺陷检测的发展历史为脉络,运用图像处理、机器学习等机器视觉算法对其进行分类和检测。首先分析电路板图像特点,采用图像处理和Resnet残差网络进行目标定位和分类。其次,本论文采用YOLO系列最新的YOLOv8模型进行改进并对其进行模型的轻量化。最后将轻量化模型部署到嵌入式设备来实现PCB缺陷的快速检测,本文的研究包括: (1)针对PCB数据集中彩色图像亮度灰暗不均等问题,采用动态阈值白平衡算法对PCB图像做增强处理。为得到没有噪点的二值化图像,本文对图像进行分割并采用OTSU自适应阈值提取二值化图像并拼接,然后通过形态学以及图像处理相关操作获取到PCB带有缺陷的图像,并构建Resnet18网络对带含有缺陷的图像进行分类。 (2)针对PCB电路板表面缺陷目标的特点,本文提出一种改进YOLOv8目标检测算法,其主要改进方案如下:首先,在目标检测的主干网络(Backbone)中引入SPD-Conv卷积层,提升检测小目标的能力。此外,在C2f模块加入了Sim AM无参注意力机制,进一步提升提取局部特征的能力。其次,在颈部网络中引入Bi C Module来提升图像采样的效果,提升特征融合的能力,更好的融合图像的细节特征。最后,在YOLOv8的头部网络中的边界框损失处理使用Wise-Io U,增强对数据集中不规则目标的定位能力。 (3)为提高检测算法模型在小型嵌入式设备的检测速度,本文在原有改进模型的基础上进一步进行了模型的轻量化处理。其主要的处理方案如下:首先,在主干网络构建改进的轻量化C2f模块,并参照Mobilenet V3网络对其重构。其次,在颈部网络参照Bi FPN的原理进行简化,并引入轻量化C2f模块和Bi C模块增加不规则目标特征的融合能力。最后,本文还构建了嵌入式检测平台,部署轻量化后的模型,实现了PCB表面缺陷目标的快速检测。