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关键词： 摩擦纳米发电机   信号调理电路   人机交互   柔性传感器  

摘要： 发展新型信息技术是人类社会迈入万物互联智能时代的必由之路。随着信息技术的发展,人们对物理世界底层数据需求日益增长,这对提供基础数据的传感器节点提出了更高的要求,尤其是传感器的数据可靠性、部署灵活性和长期稳定性等方面。近年来基于摩擦纳米发电机(TENG)的传感器技术以其力电转换灵敏、材料选择多样、结构灵活等特征,尤其是自供电特性引起了传感器相关科研工作者和产业界的持续关注,在柔性可穿戴、人机交互、振动监测等诸多领域都进行了非常深入的研究。TENG的电输出,包括电压、电流和电荷均可有效反映其力学过程。然而限于其独特的外部特性:高电压、低电流、弱电荷和高阻抗,通常利用专业设备静电计进行数据采集,难以直接采用通用的电子测量系统采集信号,这是限制其作为传感器大规模应用的一大瓶颈。 基于以上分析,本文在研究TENG器件结构、理论模型和电输出特性的基础上,设计了一款面向TENG的信号调理电路,实现了TENG传感器的阻抗匹配和电荷-电压转换,在此基础上进一步构建了便携式多通道信号采集系统。基于上述电路和采集系统对多种TENG的输出信号与运动状态进行定量分析,探索了基于TENG传感器在机器人感知和交互等场景应用。主要工作详述如下: 第一个工作中,面向TENG电信号便捷采集需求,我们在分析TENG等效模型的基础上设计了基于电荷放大器和低通滤波器的信号调理电路;制作了多种不同结构和工作模式的TENG,验证了信号调理电路的普适性。在此基础上结合微控制器(MCU)及其内置模数转换单元(ADC)和上位机软件Lab VIEW实现了多通道便携式信号测量系统。电荷放大器单元采用超高输入阻抗的集成运算放大器,结合理论分析优化了反馈电容、反馈电阻的选择,在实现电荷保持和阻抗变换的同时,实现了电荷-电压的线性转换,通过调控反馈电容的选型可以获得最大的电压动态范围。低通滤波器单元用于抑制数据采集过程中工频干扰及高频噪声,以适应TENG的低频传感应用。利用具有不同电输出特性的刚性接触分离式、旋转式、滑动式TENG和柔性TENG验证了电路的普适性和定量关系,并实现了基于柔性传感的仿生机械手定量控制。为了提升信号采集系统的交互性和便捷性,我们利用廉价MCU及其内置ADC,结合前述电路实现了携式信号测量系统,通过串口在上位机实现了8通道的数据显示和存储,利用该系统实现了基于柔性传感器多通道手势动作信号采集。这个工作中设计的面向TENG信号调理电路方案具有一定的普适性,可兼容通用电子采集系统,提升了TENG信号采集的便捷性,为多通道TENG电信号采集和传感应用提供了一种经济可靠的方案。 基于TENG的传感器在柔性和触觉感知领域以其广阔的市场预期引起了诸多关注。为此在第二个工作中,我们结合柔性TENG和多通道信号采集系统构建了矩阵式触觉传感模块,探索了其机器人感知方面的应用。首先采用Ecoflex00-30硅胶溶液制备了硬度适中的胶状材料;利用Ecoflex00-30硅胶溶液混合盐粒固化制备了柔性多孔海绵材料。然后,将前者作为骨架,内置氟化乙烯丙烯共聚物和铜箔制备了接触分离式TENG,用于压觉感知;将后者浸泡纳米银线溶液,制备了单电极式TENG,用于接触/非接触感知。最后,将上述传感器件以阵列形式安装在机器人周身,结合多通道信号调理电路对传感性能进行了测试,可以准确识别毫米级接近、触碰等行为,这为机器人感知和交互提供了良好的数据基础。这项工作表现出了基于TENG的柔性传感器在复杂环境下机器人感知、交互方面的应用潜力,为柔性触觉传感器的实现提供了一个可以参考的方案。

关键词： SiC MOSFET   有源栅极驱动   过冲   振荡   开关损耗  

摘要： 随着全球气候变化和环境问题日益严重,减少碳排放和推动清洁能源的使用已成为全球共识,为了实现2030年碳排放达到峰值的目标,我国大力发展风力发电和光伏发电产业,其装机量逐年攀升,同时,在国家的大力扶持下,我国的新能源汽车产业蓬勃发展,产量和销量不断攀升。然而,随着技术的进步,风力发电、光伏发电、智能电网、新能源汽车以及轨道交通等都对电力电子装置的性能提出了更高的要求,功率半导体作为电力电子装置的核心器件,其表现决定着电力电子装置性能的上限,然而,传统硅基功率器件的性能已经接近其理论极限,每次性能的微小提升,都要付出巨大的研发成本。 在这样的背景下,SiC MOSFET作为新一代功率器件,有着开关速度快、工作频率高、导通电阻小、耐高温、散热性好等优点,成为替代硅基功率器件的最佳选择,尤其是在高功率密度和高效率的电力电子应用场合。然而,更高的开关速度也会导致SiC MOSFET更容易受电路中寄生参数的影响,并产生过冲、振荡、电磁干扰等问题,对SiC MOSFET的应用提出了严峻的挑战。 为了缓解SiC MOSFET在实际应用中存在的问题,本文做了以下工作: 1.对SiC MOSFET的开关过程进行了深入的分析,指出其开关过冲和振荡的产生原因。 2.研究了电路中源极寄生电感、功率回路中非共源寄生电感、栅极电感、栅源寄生电容、栅漏寄生电容、栅极电阻、负载电流对SiC MOSFET开关特性的影响。 3.提出了一种片上集成式有源栅极驱动电路。该驱动电路的原理是在对过冲和振荡影响较大阶段关断部分PMOS/NMOS以减小驱动电流进而达到抑制过冲和振荡的目的、而在其余阶段打开更多PMOS/NMOS以增大驱动电流进而加快这些阶段的开关速度,最终在不明显增加开关功耗的条件下达到抑制过冲和振荡的目的。 4.功能验证和版图设计。为了证明所提驱动电路的优势和可靠性,对该驱动电路在不同负载电流、不同母线电压和不同温度下进行了双脉冲测试,结果达到预期。如在负载电流为45A,母线电压为400V的条件下,该驱动电路开关SiC MOSFET时的电流过冲幅度和电压过冲幅度分别降为使用传统栅极驱动电路时的53.44%和51.32%,波形的振荡也得到了明显的抑制。最后对该驱动电路的版图进行设计并进行后仿验证。 和传统栅极驱动电路相比,该有源栅极驱动电路能够在过冲、振荡和开关损耗之间取得平衡;和PCB板级有源栅极驱动电路相比,该有源栅极驱动电路在减小体积、降低延时,降低成本、降低应用复杂程度等方面更有优势。

关键词： 网络拓扑   地铁列车   控制电路   仿真研究  

摘要： 本文以基于网络拓扑的地铁列车控制电路仿真展开研究，先对理论基础展开分析，再完成对基于网络拓扑的地铁列车控制电路仿真模型的构建，最后再针对模型，进行模型的仿真试验和分析。经过分析后，发现通过网络拓扑结构的应用，地铁列车的控制电路仿真水平实现了合理提升。在控制电路工作时会存在一定的控制误差，导致控制效果受到影响，为了保证控制水平，可应用网络拓扑构建控制电路仿真模型，从而满足地铁列车的运行需求，更好地推动地铁列车为城市居民出行提供优质服务。

关键词： 电容式MEMS   加速度计   电容可编程增益放大器   电容-电压转换   全差分运算放大器  

摘要： 微机电系统（Micro Electro Mechanical System,MEMS）传感器由于其体积小、重量轻、功耗低和成本低的优点被广泛应用于军事和民事领域。电容式MEMS加速度计因为其能够通过开关电容电路实现与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺兼容的特性,从而能将MEMS及其读出电路设计到同一颗芯片上,实现高度集成化。本课题的设计在保证传感器电路精度的同时,降低后级调制电路对传感器输出信号幅值的要求,以提高加速度计的通用性和精度。 本次设计对加速度计传感器建模,详细论述了电容式MEMS加速度计的读出电路与及Simulink模型实现,采用基于180nm的高温高压的CMOS工艺,设计了可重置型相干双采样的电容-电压的读出电路,其能够通过线性关系去反推加速度的大小;并且为适配后级接口电路,设计了一款可编程增益放大器（programmable gain amplifier,PGA）。 （1）设计了四阶的Sigma-Delta（过采样）调制系统,在输入正弦信号幅度为±1 g（g,加速度）、频率31.25 Hz、过采样率128,并加入非理想设计因素的情况下。仿真结果表明,加速度计读出电路的SNDR为123 dB,ENOB为20.3位,加速度计接口电路等效输入噪声为761.6ng/sqrt（Hz）,表头量程±5.8 g。 （2）为了解决与不同MEMS传感器兼容性的问题,特别是在处理具有不同动态范围的传感器信号时,本文提出了一种新的读出电路架构。该读出电路采用可编程增益放大器（PGA）,能够通过多路选择器对差分输出信号进行从0.5到64倍的精确放大,从而提高整个系统的动态范围。通过这种设计,能够将CV输出信号进行调节,以确保Sigma-Delta调制器满量程条件下信号的归一化。 （3）本此设计的全差分运算放大器具有强适配性,不仅作为PGA的核心部件,还被应用于加速度计传感器的CV读出电路。CV读出电路创新性运用了可重置型相干双采样方案,增加了电路的性能,降低对运放增益的需求。本次设计的全差分运算放大器版图面积0.34 mm2,平均供电电流2.28 mA,增益108 dB,带宽15.1MHz,在1KHz处噪声密度为161 n V/sqrt（Hz）。 （4）设计了运放偏置电流,引入了二阶曲率补偿Bandgap电流源,在-40℃到170℃的范围内,温漂达到5.28 ppm/℃。 本设计的成果不仅对MEMS加速度计的设计与应用提供了参考,也为高温环境下,传感器后端模拟专属集成电路的芯片设计提供借鉴。