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关键词： PCBA   深度学习   图像融合   缺陷检测  

摘要： 随着PCBA生产工艺的不断提升,印制电路板作为各种底层硬件电路的基础,元器件的型号变得愈加繁多,其产品质量直接影响整个硬件系统的稳定运行,使得缺陷检测难度也随着加大。传统的人工检测已经满足不了生产的需求,因此本文研究设计了PCBA表面焊接缺陷检测模块和元器件内部检测及分拣模块,来完成PCBA缺陷检测任务,本文的主要结构如下: (1)为了实现PCBA板表面焊接缺陷的快速检测,本文提出了一种PCBA缺陷检测算法。通过对YOLOv5网络结构进行改进,将Backbone和Neck部分的C3模块和Conv替换为Ghost C3模块和Ghost Conv,极大地减少了模型参数量;同时在Neck部分嵌入了CBAM注意力模块,使得模型对PCBA板上的细小元器件有更高的精度;并且在原有的基础上增加了一个新的检测头,使得模型能够捕捉更小的20×20的目标,最后引入了Poly Loss损失函数,可以根据不同数据集的正样本系数和负样本系数进行调整,对小目标做出针对性的策略。改进后的YOLOv5网络,对小目标检测具有更高的识别精度,在识别准确率上较改进前提升了3.2%,更适合PCBA板的缺陷检测工作。 (2)为完成PCBA板上元器件内部有无缺陷的检测与定位工作,设计了一种基于深度学习的图像融合算法,相比于传统的融合算法,深度学习融合后的图像能够传达出更多的语义信息,极大的提升了可见光图像与红外图像的融合图像的质量;同时采用差分热图法来判断元器件是否损坏,通过待测PCBA热图与标准PCBA热图进行比较判断,将有缺陷的PCBA热图与待测可见光图像进行融合,从而完成缺陷元器件定位工作。 (3)为了将改进后的YOLOv5网络应用到实际中,设计了用于PCBA缺陷检测与分拣系统,并针对性的搭建实验平台进行运行测试。该系统在对PCBA表面缺陷检测中准确率达到97.1%,具有较高的精度,能够满足PCBA板实际生产需求。

关键词： 折叠基片集成波导   贴片天线   小型化   数字衰减器   数字移相器  

摘要： 无线通信技术在众多行业中得到了广泛应用,如移动通信、物联网、卫星通信、交通物流、医疗、航空航天等。拥有发射和接收电磁波能力的天线,在无线通信中扮演着不可或缺的角色。为了提高信号覆盖范围,需要研究高增益天线阵列,但传统高增益天线阵列的单一指向性不能满足复杂多样的无线通信环境,为了实现天线阵列的波束扫描,需要在其馈电网络中引入幅相控制电路,如衰减器和移相器等。本文围绕微波天线、数字衰减器和数字移相器等展开研究,主要工作包括以下几个方面: （1）基于FSIW高次模的紧凑型毫米波贴片天线阵列的研究:提出一种基于FSIW TE20模馈电的毫米波贴片天线单元结构,面积是同类型SIW天线单元的41.6%,且辐射性能基本相似。基于所提出的结构,设计了1×4子阵列天线,并研究了在其E面组阵时的单元间距对天线阵列的性能影响,优化和设计了一款4×4高次模的毫米波贴片天线阵列,测试结果表明,该天线阵列实现了15.8%的-10dB阻抗带宽,交叉极化电平基本小于-30dB,具有良好辐射方向图对称性,最大峰值增益为17.062dBi,相比于同类型的SIW天线阵列的尺寸,缩减了16.54%,实现了天线阵列的小型化,并且副瓣电平更低,均小于-10dB。 （2）设计了一款基于0.10μm GaAs pHEMT工艺的Ka波段六位数字衰减器。该衰减器包括简化开关T型衰减电路设计的0.5dB和1dB衰减单元,开关T型衰减电路设计的2dB衰减单元,改进开关Π型衰减电路设计的4dB和8dB衰减单元,反射型衰减电路设计的16dB衰减单元。为了减小Π型衰减电路在Ka频段产生过大的附加相移,在4dB和8dB衰减单元中引入了相位补偿结构,尤其对改进后的8dB衰减单元进行了理论分析和仿真对比验证,将普通开关Π型衰减电路5～8°的附加相移补偿到了-2.17～1.17°,同时保证了衰减值的平坦度。整体版图的仿真结果显示,该衰减器工作在28～40GHz的Ka波段,插入损耗小于5dB,64态的衰减幅值均方根（RMS）误差小于0.3dB,64态的附加移相RMS误差小于3.7°,端口的匹配良好,且电压驻波比小于1.5,芯片面积小于3×1mm2。 （3）设计了一款基于0.25μm GaAs pHEMT工艺的宽带X波段六位数字移相器。该移相器分别由桥T型电路结构设计的11.25°和22.5°移相单元,衍生桥T型电路结构设计的5.625°和45°移相单元,以及反射型电路结构设计的90°和180°大相移单元组成。仿真结果显示,该移相器工作在8～12GHz的X波段内,其插入损耗小于9.2dB,64个状态的移相RMS误差以及寄生调幅RMS误差分别小于1.6°和0.32dB,输入电压驻波比小于1.5,输出电压驻波比小于1.8,芯片面积小于3.1×1.6mm2。

关键词： 遗忘忆阻器   神经元模型   神经元电路   类脑硬件  

摘要： 类脑计算作为当前计算科学领域中的一种先进范式,旨在模拟人类神经系统对信息的处理机制。与传统计算范式相比,类脑计算大幅提高了信息处理的能力,同时在能源效率上取得了显著的降低。更重要的是,它为机器提供了模拟人类思考模式的可能。人类神经系统处理信息的基本过程涉及到大量神经元间的相互通信,这一机制的模拟是构建类脑硬件的关键所在。在类脑硬件的研究领域内,忆阻器这种纳米级别的器件因其低能耗、快速响应和高度仿生性而受到广泛关注,特别是遗忘忆阻器自有的权值衰减属性,使其不仅能够模拟出神经元的动态特征,还能够模拟大脑信息存储的遗忘机制,展现出相较于普通忆阻器更加明显的适用性优势。鉴于此,开展基于遗忘忆阻器的神经元模型构建、电路设计及其在类脑硬件搭建中的研究,将对提升机神经元电路的仿生能力具有实质性的意义,对于推动计算科学和智能技术的发展具有深远的影响。 本文基于遗忘忆阻器开展了研究,提出了一种基于遗忘忆阻器的阈值可变神经元模型（Variable Threshold Memristive Leaky Integrate-and-Fire Model,VTMLIF）,进一步设计了基于该模型的神经元电路,并拓展该电路实现了具有生物非联想学习特性的神经元电路,最后搭建了一种能够模拟人类情感渐进现象的类脑电路。具体的工作内容如下: （1）提出了基于遗忘忆阻器的阈值可变神经元模型（VTMLIF）。VTMLIF模型采用广义非易失性忆阻器模拟神经元的动态阈值,采用广义遗忘忆阻器刻画神经元膜电位的变化。模型可以通过引入多样的忆阻器模型或者不同的忆阻器控制方法,从而实现多种膜电位和阈值的动态变化情景。该模型相较于经典积分泄漏点火神经元模型（Leaky Integrate-and-Fire Model,LIF）展现出更强的激活灵活性。 （2）设计了一种基于VTMLIF神经元模型的神经元电路。基于传统Pd/WOx/W遗忘忆阻器提出了一种更符合神经元动力学特性的遗忘忆阻器模型,使用该遗忘忆阻器模型搭建了神经元电路,在LTSPICE中仿真了其激活特性,验证了该神经元电路的有效性。 （3）构建了一种基于VTMLIF神经元电路的生物非联想学习神经元电路,该电路能够展现出生物非联想学习中的习惯化和敏感化过程。此外,结合本文设计的两种神经元电路和一种多端口电压输入输出型遗忘忆阻突触电路,搭建了类脑电路,该电路能有效地模拟出人类的非联想情感渐进现象。本项工作为基于遗忘忆阻器的类脑硬件开发提供了一种新的方法参考。

关键词： 存内计算   忆阻器   存内逻辑计算   存算一体电路设计   运算宏单元   V/R-R逻辑  

摘要： 随着人工智能与大数据时代的快速发展,数据处理与计算需求呈现出爆炸式增长。传统的冯·诺依曼架构由于其内存与计算单元分离的设计,存在存储墙和能耗问题。因此,存算一体架构作为一种新型的计算范式,受到了广泛的关注与研究。忆阻器作为一种新型的非易失性存储器,因其独特的阻变特性和存内计算能力,成为了存算一体架构中极具潜力的候选者。本论文围绕基于忆阻器的存内计算展开研究,深入探讨了忆阻器的数字域存内逻辑计算,并对其中涉及的关键技术进行了详细的论述。 论文首先介绍了氧化铪基忆阻器的材料体系和器件结构,并通过电学性能测试验证了其良好的阻变特性。在此基础上,建立了忆阻器的Verilog-A模型,为后续电路设计提供了基础。在器件和模型基础完成后设计了1T1R结构的忆阻器存储阵列,并进行了仿真验证,为后续的存内逻辑计算提供了存储阵列支持。进一步地,设计了基于V/RR逻辑的忆阻器存内计算方案,详细设计了异或逻辑、多路选择器和一位全加器三种逻辑操作,并通过测试验证了其可行性。由于逻辑计算中存在由于忆阻器阻值散布而导致的逻辑失效问题,设计了具有目标阻值灵活可调特点的自写止电路来提升逻辑计算的鲁棒性,并对电路进行了仿真验证。 最后论文将前文所述的逻辑计算方案部署于忆阻器存储阵列中,设计了一种基于VR-R逻辑的忆阻器存内逻辑计算宏单元。该计算宏单元集成了存储核心电路、片上电源电路、存内逻辑计算电路等关键模块,并通过仿真验证了其内部电路模块和整体功能的正确性,展示了三种逻辑操作在计算宏系统内的实现。本文中的所有电路设计都基于华润上华0.18μm CMOS工艺库,最终设计实现了一个可供调用的计算宏系统的电路设计。填补了目前存内逻辑研究主要集中在方案设计而在电路系统设计方面存在的空白,为存内逻辑进一步向大规模和复杂逻辑功能的实现提供研究基础。

关键词： 高速电路建模   部分元等效电路   分层介质格林函数   CRWG基函数   信号完整性  

摘要： 在电子技术迅速发展的背景下,为了适应更高的数据传输速率,电路的上升沿时间在不断缩短,高速电路得到了广泛应用但产生传输线效应,如信号反射、串扰、损耗等,以及信号完整性问题,即印制电路板(PCB)中互连线的特性导致传输网络上信号失真。因此,信号完整性分析已成为高速电路设计中必不可少的一步。 由于存在传输线效应,传输网络处于复杂的电磁场环境中,需用电磁学中的传输线理论分析。另外,现在处于后摩尔时代,电路的尺寸越来越小但是设计成本越来越高,为了节约成本,设计阶段就需要进行功能仿真。因此,电磁场数值方法已经成为对高速电路进行信号完整性分析的一个重要手段。 本文首先介绍了基于三角形基函数的部分元等效电路法的基本原理。先从麦克斯韦方程组推导出混合位电场积分方程组,然后具体介绍了该方法的实现流程,包括选取基函数和测试函数用以离散方程、推导部分元件定义式以及获得等效电路模型。 其次,引入了分层介质格林函数对部分元等效电路法进行改进。针对常见的分层结构的高速电路,直接用部分元等效电路法需要对介质层和接地层剖分,但是引入分层介质格林函数可以将介质层和接地层的影响直接包含在格林函数中,只需对金属层剖分,如此大大减少网格数量和矩阵维度,从而加快算法求解速度。为了获取分层介质格林函数的空域形式,本文采用了将谱域格林函数转换为一系列复指数序列的离散复镜像法(DCIM),有效地克服了直接计算所带来的时间消耗问题并且提高了计算效率。 另外,提出了基于曲面三角形单元和CRWG基函数且包含损耗的部分元等效电路法。常规的平面三角形虽能满足拟合复杂模型的要求,但是对于曲面和弧线会产生大量网格,而曲面三角形只用更少的网格就可以更好地拟合模型结构,从而提高计算效率,并且算法考虑了损耗,保证了算法的实用性。 最后,推导出通过等效电路矩阵获得散射参数和TDR/TDT参数的方法,可以帮助快速实现从几何建模到信号完整性分析的过程,不再借助外部软件求解电路,更好地说明了算法的高效性。以上说明的方法均有算例证明算法的准确性。

摘要： Wearable electronics are becoming a critical technology in the field of health monitoring. Continuous in situ monitoring of physiological information is of great value for preventing and treating high-incidence diseases such as cardiovascular diseases, gastrointestinal diseases, dermatological issues, and neonatal conditions[1–4]. However, most flexible wearable sensing devices inevitably need to be connected to extra acquisition equipment and integrated circuits(IC) [5], which do not adequately meet the needs for comfortable wear. Ideal flexible wearable electronics require stretchable and lightweight backend circuits, and related research is still in its early stages [6–8]. Commercial flexible printed circuit boards(FPCBs) use polyimide instead of rigid substrates to withstand limited bending but cannot be stretchable. Emerging silicon-based elastomer circuits face issues such as unstable interfaces between rigid components and stretchable substrates,and excessive device thickness due to multilayer stacking. Moreover, the above electronic systems lack permeability, making them prone to causing discomfort and skin inflammation in practical applications [9]. In contrast, the concept of permeable electronics provides a new solution to these limitations, bringing new opportunities to the field of flexible electronics.

关键词： 联想记忆神经网络   遗忘忆阻器   神经元   忆阻桥突触   多模联态联想  

摘要： 当前,人工智能技术正处于快速发展阶段,这一趋势对数据处理与存储技术提出了新的挑战。在海量计算需求下,传统计算机架构需要频繁地在计算处理单元和内存单元之间来回搬运数据,这种处理方式时延高、效率低,同时功耗也居高不下。忆阻器作为一种纳米级器件,其高兼容性、可编程阻值和类生物突触特性,受到了学术与工业界的关注,被视为突破传统计算架构的理想器件。应用层面,忆阻器作为基础元件常被用于设计神经形态计算电路,在联想记忆网络的硬件电路实现中,使用非易失性忆阻器的研究工作十分常见,但利用易失性忆阻器的相关研究很少。非易失性忆阻器所构成的联想记忆电路往往只能实现双极性值或两种模态信息的关联学习和召回;但具有易失性的遗忘忆阻器由于自身能够存储两组权值的能力,因而具备实现多种模态信息的联想记忆学习、召回的潜力。在同等计算突触规格下,后者能够存储两组突触权值矩阵,使得计算效率成倍增加;再利用其时分复用特性,即可以完成多种模态的联想工作。易失性遗忘忆阻器的应用,为联想记忆网络硬件化提供了一种全新的实现方案。 本研究从长短时遗忘忆阻器的建模、遗忘忆阻桥形突触电路的构建、遗忘突触神经网络电路的设计、多模态联想记忆电路方案的提出,逐层深入地探讨了多模态联想记忆网络电路的设计工作内容。通过以上内容,本文系统地呈现了多模态联想记忆网络电路从理论模型、电路设计、电路应用三个阶段的工作,其主体内容如下: (1)忆阻器的模型构建工作中,首先对比四种忆阻器的电路特性,以此为基础引入长短时遗忘忆阻器模型的理论内容。在SPICE电路模型搭建完成后,随即进行多项封装测试,结果表明其仿真结果符合预期电气特性。最后在不同方向与幅值的脉冲激励下,长短时忆阻值发生改变并且伴随遗忘衰减特征,长短时阻值调制仿真结果符合预期。 (2)文中基于遗忘忆阻器模型设计了忆阻器桥形突触电路。在电路的相关测试实验中,通过设定初始配置参数,即可观得到短时突触权值向长时突触权值的衰减过程。此外,结合忆阻桥突触和神经元模块,构建了遗忘忆阻桥突触神经网络电路,并通过噪声测试和非理想效应分析,证实了该电路的有效性和鲁棒性。 (3)根据突触与神经元提出多模态联想记忆电路方案,并利用3×3规格的小型电路验证了其突触计算的可行性。而后进行三模态联想应用实验的结果表明:单样本下,输入文字或音频能够顺利召回另外两种模态的数据;多样本情况下,即便是输入含有噪声的文字信息,也能联想出所对应的音频和灰度图信息。上述工作不仅证明遗忘忆阻突触神经网络电路的可行性,同时也为基于易失性忆阻器的神经网络电路研究提供了新的研究方向和有效参考。

关键词： 组合绝缘   电路参数   大气压辉光放电   室内空气净化  

摘要： 随着社会科技、经济的不断发展,室内空气污染的问题越来越严重。等离子体空气净化技术能够去除多种空气污染物,且无二次污染,在空气净化中具有较高的实用价值。在长时间放电条件下聚四氟乙烯电极存在绝缘击穿、陶瓷电极存在弥散性变差等问题。本文基于组合绝缘,设计了多种组合绝缘介质阻挡电极结构,通过ANSYS仿真对比各电极电场强度分布,最终确定一种在大气压环境下形成弥散性好的辉光放电新型组合绝缘介质阻挡电极结构。采用串联电感的方式对电路进行了优化,研制了基于组合绝缘介质阻挡电极结构的室内空气净化装置,在搭建的净化实验平台中,设计放电装置对甲醛、TVOC、甲苯的净化性能进行了检测。 首先,本研究基于组合绝缘,从层状电极理论计算进行了组合绝缘电场强度分析。然后,设计了组合绝缘棒棒接触式电极、组合绝缘螺旋接触式电极结构,利用ANSYS仿真软件对比各电场分布情况,探究各自之间的差异与联系,最终确定了内陶瓷外聚四氟乙烯组合绝缘螺旋接触式电极结构。通过改变组合绝缘层厚度比,进行电场分布优化分析,选择最佳参数。研究发现内陶瓷外聚四氟乙烯组合绝缘螺旋接触式电极结构既在绝缘层表面形成了好的辉光放电现象,又有效的抑制了绝缘层击穿,利于放电装置的长时间运行。 其次,在MATLAB仿真软件对介质阻挡放电过程搭建了仿真模型,通过采用在回路中串联电感、在电极两端并联电容的方式,对调控放电电流进行了仿真研究。然后,分别在低气压下对于单脉冲放电电流、大气压下多脉冲放电电流进行了实验验证。研究发现,在回路中采用串联电感的方式,可减小脉冲放电电流幅值、增大脉冲脉宽,可在一定程度上抑制丝状放电的产生;在电极两端并联电容,可使得放电电流脉宽变宽,放电弥散性有所增强,这有利于降低电源要求,减小电源电压。 最后,搭建了室内空气净化实验平台,设计了室内空气净化装置。对放电模块采用了阵列式分布排列的设计,并对放电效果进行了检测,在室内空气净化舱内完成了净化实验。实验结果表明,辉光放电加催化剂的处理方式效果最好,仅使用催化剂的效果相比较差。臭氧催化剂处理层可提高等离子体的去除甲醛、TVOC效率。放电等离子体对于TVOC的典型污染有机物甲苯的处理,40根电极放电32分钟后,甲苯去除率可以达到81.8%,对于甲苯有着较好的处理效果。