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关键词： 在线监测   磁塞传感器   有限元仿真   LC谐振电路  

摘要： 滑油作为船舶机械设备的“血液”,包含着机械设备摩擦副的丰富信息。通过滑油检测技术对滑油中的磨粒信息进行检测,能够实现机械设备关键零部件的故障预警及健康评估,对船舶稳定、安全的航行具有重要意义。磁塞传感器作为一种典型的在线检测传感器,在滑油检测领域应用广泛。本研究针对磁塞传感器在船舶滑油管道中的吸附效果进行了理论分析和有限元仿真,使用COMSOL仿真软件对滑油管道中的铁磁性磨粒的运动轨迹进行有限元仿真,得到在不同边界条件下传感器的吸附率;设计出一种新型探头结构,能够有效提高对铁磁性磨粒的检测精度。对内部线圈磁场分布进行仿真和分析,通过实验探究了该传感器的检测精度。本文主要工作内容如下: (1)使用一种利用多物理场分析方法,研究船舶滑油系统中磁塞传感器在不同的安装位置下,磨粒粒径和滑油管道入口流速对吸附率的影响。通过对滑油管道中的铁磁性磨粒进行受力分析,得到粒子轨迹的运动学模型;参考船舶滑油管道和商用磁塞传感器的参数,建立物理模型。使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件的层流模块、AC/DC模块和粒子追踪模块对铁磁性磨粒在滑油管道中的运动轨迹进行二维仿真。设置不同安装位置,改变磨粒粒径和滑油流速,对比两种安装方式的吸附率。 (2)设计一种基于LC谐振电路的探头结构,该结构由外部激励线圈和多个内部小线圈组成。利用COMSOL有限元仿真软件对探头结构进行有限元仿真,得到不同激励频率下,内部线圈的磁场分布。同时设置内部线圈不发生谐振的传感器进行仿真对比,对激励线圈的激励频率进行频率扫描,得到两种情形下内部线圈的磁场分布。对内部线圈的感应电流和磁通密度模进行参数化输出,结合LC谐振电路的特点,分析磁通密度模提高的原因。 (3)搭建实验台,通过实验可知,在外部线圈的激励频率为970k Hz时,该探头结构检测效果最好,能够实现对于50μm铁磁性磨粒进行检测。由于内部线圈所处的位置不同,对同一尺寸的磨粒会有不同的信噪比。根据磁塞传感器的吸附过程,对传感器进行不同尺寸磨粒先后吸附的检测实验。

摘要： 《集成电路与嵌入式系统》是由北京航空航天大学主办的综合性学术期刊,聚焦集成电路领域的关键问题,致力于为行业内的专家学者提供交流和分享的平台,为高层次人才自主培养提供重要支撑,促进产学研的深度融合,共同推动我国集成电路产业的稳步发展。征稿范围《集成电路与嵌入式系统》主要刊载与集成电路和嵌入式系统相关的综述和学术论文,具体涵盖电路与系统理论及技术、大规模集成电路设计与制造、嵌入式与系统优化、混沌与非线性电路、传感器与物联网、信号与信息处理系统等方面。

关键词： 微曲面电路   电子3D打印   随形打印   三轴打印机   自适应采样  

摘要： 曲面共形电路增材制造是近年来逐渐发展起来的一种新兴技术,在航空航天、智能穿戴、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。针对当前曲面电路制作过程中存在的工艺过程复杂、成本较高等问题,本文以微笔直写电子增材制造为研究对象,提出了一种使用三自由度打印机打印微曲面电路的方法,自主搭建了基于随形打印的微曲面电路3D打印平台,开发了微曲面电路3D打印控制系统。主要研究内容如下: (1)提出了微曲面电路随形3D打印方案并对其关键装置进行设计。分析国内外电子3D打印研究现状及存在的问题,提出了本文的方案。基于“随形打印”特性开发了微曲面电路打印关键零部件,选取龙门结构为3D打印机的机型结构,为实现微曲面电路3D打印准备了硬件条件。 (2)对微曲面电路3D打印的精度补偿进行分析。在传统采样法的基础上,提出了一种适用于微曲面电路3D打印的采样方法——近似曲率的自适应采样法。通过与均匀弧长采样、等弦高差采样、角偏差采样等3种方法进行对比实验,验证了本文提出采样方法的可行性。 (3)开发了微曲面电路3D打印控制软件。分析了微曲面电路3D打印工艺流程,采用C#语言开发了一套微曲面电路3D打印控制软件,包括DXF文件读取、数据离散、图形显示及编辑、运动控制等功能。 (4)微曲面电路3D打印实验研究。通过正交试验,得到了打印头直径、打印气压、打印速度、打印高度等不同参数对于微笔直写打印电路线宽值的影响,并确定出了最优打印参数组合。基于该组参数,进行了亮灯实验,并进一步在基于陶瓷、树脂、亚克力和金属等不同材料制备的基材表面打印电路。结果均表明,基于本文提出的三自由度微曲面随形打印方法打印的电路线宽均匀,导电性能良好,具有很好的适应性。

关键词： 晶体谐振器   柯尔匹兹振荡电路   PID控制   恒温电路   ADN8834  

摘要： 石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度和精确度,常被用做多种设备的频率源。恒温晶体振荡器则是目前频率稳定度和精确度最高的晶体振荡器,因此被广泛应用在通信、导航、测控等领域。随着现代科技的发展,对恒温晶体振荡器的性能要求不断提升。恒温晶振的核心之一在于其内部恒温电路,本文的主要研究内容是设计一种应用于晶体谐振器的新型精密恒温电路。 首先,本文探讨了晶体谐振器的工作原理及其频率温度特性,通过分析AT切和SC切晶体谐振器的频率温度特性差异,选择采用具有线性频温特性的SC切B模晶体谐振器进行晶体振荡电路设计,用于检测恒温电路的控制精度,使用晶体直接测温可以获得最真实的晶体温度。本文对晶体振荡电路的原理进行研究分析,为了确保晶体稳定振荡在目标模式,设计了一种改进型柯尔匹兹振荡电路,该方法引入选频网络,有效滤除了C模振动的干扰,并通过加入放大电路和滤波电路增强了整体电路的性能。通过ADS仿真软件对晶体振荡电路的输出波形、频谱及相位噪声进行仿真分析,确定振荡电路的关键设计参数。 其次,本文详细研究了不同恒温电路的控制原理和适用环境,并基于PID控制算法设计了一种精密恒温电路。该电路由测温、控温、输出三个核心部位组成。测温部分采用负温度系数热敏电阻组成的惠斯登电桥结构,结合反馈放大电路将温度变化转换为线性电压变化。控温部分在传统的PID算法基础上调整控制策略,引入高频极点以降低高频噪声的影响,提高控制精度。输出部分通过脉宽调制功率输出将控制电压转换为平滑电流,精确控制功率管对晶体的加热。整个恒温电路使用集成化的模拟芯片ADN8834进行设计,极大程度减小电路体积并降低功耗。此外,使用LTspice仿真软件对电路中的参数进行了仿真分析。 最后,本研究基于以上设计绘制了整体电路的PCB版图,设计实验检测SC切晶体谐振器B模和C模的频温特性曲线,并拟合得到曲线的函数表达式,用于恒温电路的精度检测。设计实验对恒温电路的实际控温效果、启动特性和稳定特性进行测试。实验结果表明,本研究设计的恒温电路可以实现精确的温度控制,稳定后的控温精度可以达到0.01℃。

摘要： Artificial Intelligence (AI) has experienced remarkable success in recent years, solving complex computational problems across various domains, including computer vision, natural language processing, and pattern recognition. Much of this success can be attributed to the advancements in deep learning algorithms and models, particularly Artificial Neural Networks (ANNs). In recent times, deep ANNs have achieved unprecedented levels of accuracy, surpassing human capabilities in some cases. However, these deep ANN models come at a significant computational cost, with billions to trillions of parameters. Recent trends indicate that the number of parameters per ANN model will continue to grow exponentially in the foreseeable future. To meet the escalating computational demands of ANN models, the hardware accelerators used for processing ANNs must offer lower latency and higher energy efficiency. Unfortunately, traditional electronic implementations of ANN hardware accelerators, including CPUs, Graphics Processing Units (GPUs), Application-Specific Integrated Circuits (ASICs), and Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), have fallen short of meeting the latency and energy efficiency requirements for processing deep ANN models. Furthermore, the interconnection network subsystems in these electronic accelerator systems, designed to facilitate large-scale data transfers between processing cores and memory/control units within the accelerator systems, have become bottlenecks that hinder the throughput, latency, and energy efficiency of deep ANN model processing. Fortunately, Photonic Integrated Circuits (PICs)-based accelerator systems, featuring photonic network subsystems are promising alternatives to conventional electronic accelerators. PIC-based accelerator systems operate in the optical domain, delivering processing at the speed of light with ultra-low latency, minimal dynamic energy consumption, and high throughput. These advantages stem from the wavelength division mult

关键词： 高温   读出电路   全耗尽绝缘体上硅   恒定跨导偏置   等效噪声电荷  

摘要： 随着科技的发展,中子探测器在多个领域具有广泛的应用前景。在某些应用场景中,探测器需要在高温环境下工作。碳化硅具有高熔点和良好的热导性,使得碳化硅探测器相比传统硅探测器在高温下具有足够的稳定性。要确保在高温环境下的正常运行,整个探测系统都必须具备抗高温的能力。因此,相应的前端读出电路也必须具备抗高温特性,而体硅工艺设计的电路通常只能适用于不超过125℃的温度范围。本文研究并设计了一款具备抗高温特性的前端读出电路,主要工作如下: 首先,从器件方面进行抗高温设计。研究了金属氧化物半导体场效应管在高温下的电气特性和抗高温电路的实现方法。提出抗高温电路的设计规则,包括零温度系数偏置点和泄漏电流的匹配补偿。从工艺角度出发,选择具有抗高温特性的全耗尽绝缘体上硅工艺,选取工艺中适合设计模拟电路的横向双扩散场效应管,对横向双扩散场效应管的电气特性进行了分析和仿真。 其次,从电路设计方面进行抗高温设计。设计了一款适配于碳化硅中子探测器的抗高温前端读出电路。带隙基准进行了高阶补偿,产生的基准电压在-40℃～200℃的宽温度范围内的温度系数仅为4.62ppm/℃。使用恒定跨导偏置技术来偏置运放,使得运放的增益和带宽从常温到200℃的衰减很有限,电路的基本功能不会受到影响。前端放大器选用电荷灵敏放大器,核心运放选用折叠式共源共栅结构。设计了一种结构简单、能进行漏电流补偿的电荷泄放模块。设计有源滤波成形模块来提高信噪比并使得输出波形便于采集,设计了峰值保持电路来采集并保持滤波成形输出的峰值,设计了多级比较器级联的甄别器。 最后,对读出电路进行版图设计与后仿验证。结果表明电荷灵敏放大器、峰值保持电路和甄别器在高温下的性能退化不明显,滤波成形模块的输出波形会有一定的失真。在常温下的电荷-电压转换增益约为41.3mV/fC,等效噪声电荷为37e-,在200℃的高温下电荷-电压转换增益约为34.4mV/fC,等效噪声电荷为43.6e-。对体硅工艺设计的读出电路进行了仿真验证,结果对比表明本文设计的电路具有良好的抗高温特性。

摘要： ~~

关键词： 忆阻超混沌电路   动力学行为分析   电路仿真   FPGA硬件实验   混沌保密通信  

摘要： 混沌系统因具有非线性、类随机性、不可预测性等特点,被广泛的应用于保密通信、图像加密、信号检测等领域。传统的低维混沌系统相对简单,难以满足实际应用中对混沌系统复杂度和随机性的需求。针对以上问题,本文提出了一种动力学行为更加复杂的新型四翼忆阻超混沌电路,该电路结合了忆阻器的非线性特性,其产生的混沌序列具有更高的实用价值。通过数值仿真研究了该电路的动力学行为,并进行了电路仿真实验和FPGA硬件电路实验,将其生成的复杂混沌密钥应用到了保密通信领域,具体工作如下: 首先,基于三次非线性磁控忆阻器提出了新型四翼忆阻超混沌电路的数学模型,进行了平衡点计算和稳定性分析。通过相轨迹、Lyapunov指数谱、0-1测试、庞加莱映射、多稳态特性、双参数分岔图等分析方法,详细研究了新型四翼忆阻超混沌电路的动力学行为。研究发现,该混沌电路具有三个不稳定平衡点,参数变化时,电路状态在周期状态、混沌状态、超混沌状态之间转换。初始条件变化时,该混沌电路出现共存吸引子现象。 其次,采用电容、电阻和运算放大器等电子模拟元件在Multisim软件环境下设计了新型四翼忆阻超混沌电路的仿真模型。同时,在DSP Builder平台上完成了新型四翼忆阻超混沌电路的FPGA硬件电路实验。实验结果表明,数值仿真、电路仿真实验、FPGA硬件电路实验的结果一致,验证了理论分析的正确性以及该混沌电路的可实现性。 最后,将新型四翼忆阻超混沌电路应用到了保密通信领域。在状态观测器控制驱动系统和响应系统同步的基础上,通过该电路生成的复杂混沌密钥对原始信号进行加密,并在信号接收端恢复了原始信号。研究结果表明,恢复后的信号还原度较高,误差低至10-9级别。随后与经典的Lorenz混沌系统和Chen混沌系统做了对比分析,分析结果表明,该混沌电路在密钥复杂度、随机性和初始条件敏感性上均有优势。

关键词： 软错误   抗辐射加固   三节点翻转   锁存器  

摘要： 集成电路为整个社会的发展带来了巨大动力,但晶体管工艺技术的升级迭代也引发了一个重要问题,便是节点翻转引起的软错误。当辐射中的高能粒子轰击存储模块电路时,会造成底层中晶体管不正常导通从而引起节点翻转。由于节点之间距离的不断减小,辐射轰击集成电路便会引发多节点翻转,这样将会严重影响系统的正常运行。锁存器作为存储模块的重要结构,通过电路设计对其进行抗辐射加固有重要意义。 针对现有三节点翻转加固锁存器在开销性能和加固能力方向上的局限,本文提出了两种容忍三节点翻转且能自恢复的锁存器: (1)一种基于PON和CPON单元的三节点翻转自恢复锁存器DKEEP。DKEEP锁存器使用了PON和CPON单元结构排列成的矩阵形式。PON单元基于C单元的基础之上变形而来,采用了三输入的方式;利用组合PON和CPON单元的容忍特性使DKEEP锁存器达到三节点翻转自恢复的能力。根据仿真实验的结果,相对于其他加固锁存器,DKEEP的功耗平均降低了31.90%,延迟降低了22.76%,PDP降低了47.91%。 (2)为了进一步平衡锁存器的开销指标,精简锁存器结构,本文提出了一种基于C单元的三节点翻转自恢复锁存器MKEEP。MKEEP锁存器包括了C单元和时钟C单元构成的环状电路和传输门模块。基础单元之间的规则连接使得该设计具备了层级拦截错误电平值的能力,并且可以通过未受影响的节点将锁存器各个节点的逻辑值恢复。实验仿真表明,该锁存器与其他加固锁存器相比,功耗平均降低了68.61%,延迟降低了25.19%,PDP降低了76.72%。